利用引力波探測能否探明黑洞奇點的幾何形態？及天基引力波探測系統是否有優勢？

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本題已收錄至知乎圓桌 ? 空間技術揭秘，更多與空間技術、航天工程的問題歡迎關注討論。
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問題一：利用引力波探測能否探明黑洞奇點的幾何形態？

問題二：天基引力波探測基陣（部署在太空中，位於地-月或地-日拉格朗日點），相對於地表的引力波探測系統有沒有優勢？

探明了黑洞奇點的幾何形態之後會有什麼好處，這一點相信搞基礎科學的同學隨便想一下都能列出一堆。畢竟，在麥克斯維爾那一代人搞定電磁力、普朗克那一代人搞定光電效應的一百多年後，在應用方面，人類仍然在承著他們的基礎研究的餘澤。

雖然傳統上，物理界認為：過了事件視界（Event Horizon），黑洞內部的信息就無法被外界觀測者所知。但是，自從有了霍金輻射之後，連電磁輻射能否逃離黑洞也成為一個有爭議的問題。那麼，藉助引力波探測，探明某個黑洞的「引力井」構造，並進一步探明其奇點的幾何形態也不是不可能的事情。

（3/29/2016 補充）黑洞奇點的幾何形態的問題，除了最基本的史瓦西（Schwarzchild）黑洞那樣，一般認為其奇點是一個一維的、引力無窮大的點之外，還有克爾（Kerr）黑洞那樣旋轉的、奇點為環狀的。（ring singularity, 也許叫奇環 / 奇異環更好？）
詳細見在下的另一問：黑洞的形態以及其對應奇點的幾何形態都有哪幾種？ - 物理學

引力波的波長很長是其一大特點，因此在地球表面部署探測器，始終有種「放不開」的感覺。那麼，就引出了問題二：部署在太空中，位於地-月或地-日拉格朗日點的天基引力波探測基陣相對於地表的引力波探測系統有沒有優勢？（只考慮科學上的意義，不考慮花費的話。）

知乎大嬸說：「要有圖（才能火）！」於是有了一張圖：

免責聲明：【腦洞星期一】PO主是工科男，資深（靠譜向）腦洞問題生產專家。習慣於每個星期一早上回復完周末積攢的電郵後，花上半個小時冥想一下、生產一批腦洞問題，有的給自己，有的給別人。當然，很多醬紫生產出來的問題讓人啼笑皆非，不過偶爾會有一些發人深省的問題。希望這個問題是後者，如果此問題引起此間某位理工科同學頭疼不已、甚至吐血三升，PO主概不負責。

這個問題源起於上星期五，在帕薩迪那乳酪蛋糕工廠，（也是某部巨受歡迎的劇裡面經常出現的餐館）跟一位加大以及另一位加州理工的天體物理界高才，三個人吃飯的時候聊的話題 -- 如何忽悠馬雲或同級別的華人巨富給基礎物理投錢。

知乎上這個問題有了答案之後，俺決定醬紫sell ：「馬總啊，您看：黑洞這東西，能量巨大，愛因斯坦愛總他老人家都說了，搞明白了黑洞就有可能時光倒流神馬的。您今天投個百兒八十億的，搞不好您孫子的孫子的孫子的孫子的孫子，就能夠從未來派個時光機神馬的，給您帶個長生不老葯神馬的回來。不是明天就是後天就能到啊。」

是的，理工科男們有時候也會醬紫無聊。 -_- [ 頂鍋狂奔中... ]

謝邀。
問題分兩部分，我也分兩部分來回答。
第一：引力波探測是否可以探明黑洞奇點幾何？
我物理沒學好，更加不懂廣相，在這個問題上請允許我胡說八道一記。如果 @張雙南張老師能來回答這個問題，相信對我們所有人都會極有幫助。
引力是質量引起的時空曲率彎曲，引力波是加速運動的質量引起的時空曲率以張量波的形式傳播。因此，當我們談論引力波探測的時候，實際上是探測的本地時空曲率的變化。
如果要探明黑洞奇點的幾何，首先要對奇點的幾何建模，使待檢驗或者待測量的幾何量化為若干參數，並且參數的變化能夠反映到黑洞與外界（吸積盤或者另一個緻密天體）的能量或物質交換。
黑洞與它自身所在環境的能量和物質交換，目前傳統的思路是通過X射線波段來觀測。假設無窮遠處有質量m的物質，緻密天體質量M，規定m在無窮遠處引力勢能為0，那麼m距離M為r時，引力勢能為 $-frac{GMm}{r}$ ，運動速度為 $sqrt{frac{2GM}{r}}$ . 假設有足夠多的質量m紛紛湧入M周圍，它們之間就會相互作用，摩擦，摩擦，向四周輻射電磁波，而其中沿著其他m來的方向輻射的電磁波，相當於平衡掉緻密天體M引力的壓力，這樣就會在M外面維持一個半徑，外來的物質只能到達半徑附近。所有吸引來的物質組成一個甜甜圈的形狀，圍著黑洞旋轉：

我們把這個甜甜圈稱作「吸積盤」。實際上吸積盤沒有這麼肥厚，而是下面這個樣子的：

中間白色的小圓球是緻密天體，也就是質量相對半徑來說非常大的天體，可以是中子星，可以是黑洞。左上角橘黃色的球是緻密天體的好夥伴（伴星），負責源源不斷的倒貼緻密天體。緻密天體外面形成一圈就是吸積盤。
吸積盤本身的轉速很快，因為 $sqrt{frac{2GM}{r}}$ 中的 $frac{M}{r}$ 很大。假設吸積盤物質沒有粘性，那麼盤上半徑r處和 $r+delta r$ 處的速度分別應該是 $sqrt{frac{2GM}{r}}$ 和 $sqrt{frac{2GM}{r+delta r}}$ ，也就是越往裡走，轉速越快（損失的引力勢能越多）。而如果盤是個剛體，那麼整體的角速度是一定的，線速度與半徑成正比，越往裡走，應該轉的越慢。這裡問題就來了，吸積盤是有粘性的，因此盤上靠近的物質之間就互相摩擦，外圈的被內圈的蹭著轉的快些，而內圈的被外圈的拖著轉的慢些。這樣，吸積盤整體的動能就小於損失的引力勢能，額外的能量以熱輻射的形式出來了。因為溫度很高，所以輻射波長很短，所以前面說用X射線波段觀測。
另外，吸積盤不是尋常的土星草帽那樣的岩石和水組成，盤的溫度很高，組成化學鍵的電子以及原子的外圍電子變成了自由電子，剩下的原子變成帶正電的粒子，在自由電子的海洋里紛紛衝浪（等離子體），上述帶電粒子繞緻密天體旋轉時，就有了垂直於運動方向的加速度，也就產生了同步輻射，主要能量也集中在X射線波段。
總之，觀測黑洞（或其他緻密天體）系統的高能電磁輻射，可以提供研究緻密天體內稟（或許包含黑洞奇點幾何）的信息。
在這個意義上，上述場景下的黑洞可能沒有顯著的線加速度，但我不知道黑洞的自旋是否能釋放顯著的引力波，比如，如果黑洞的幾何（質量分布）相對其旋轉不對稱，那麼黑洞的自旋就能釋放引力波了。另一方面，黑洞加速運動釋放引力波，比如，雙黑洞聚合時，模型中或許可以把黑洞的幾何參數放進去（如果不是無關變數的話，相信不是），通過觀察引力波的高階結構，或許也可以對含有黑洞奇點幾何的模型參數進行約束。
美國宇航局NASA於2013年提出了「天體物理學三十年發展路線圖」（ Enduring Quests, Daring Visions NASA Astrophysics in the Next Three Decades），其中對長遠未來或許可以開展的天基引力波探測也進行了美好的憧憬：

裡面提到了在「中長期階段」建造引力波探測器（Gravitational Wave Surveyor）探測強度比較大的引力波發射源，「幻想階段」建造引力波測繪儀，探測宇宙暴漲時期的背景引力波（目前我們還只能通過CMB的偏振來間接測量暴漲時期的背景引力波）。第二：天基引力波探測相對地面引力波探測的優勢？

基線不受約束，可以很長（比如一個天文學單位），也可以很短，這樣就可以通過構造VLA（地面的射電干涉陣，n個天線組成 $frac{n(n-1)}{2}$ 條各種長度、各種方向的基線）的思路，來構造引力波天線陣列，大大提升定位精度，將來就能跟電磁波觀測協同起來。
基線穩定，精度高
信噪比高

這個方向，貝博士是專家，還是應該請貝博士 @XM Bei 詳細展開談談。

謝邀

1，事件視界是絕對的，即使是引力波也不可能攜帶信息從內向外傳遞信息。因為由於時空曲率，在視界內部不存在向外的路徑，所有路徑都會是向內的。

2，我對天基引力波探測不了解，不過可以猜測的是天基引力波探測系統的尺寸將會遠超地面能夠達到的尺寸，而且相對於有地質活動的陸基探測器，天基引力波探測器的信噪比將會非常高。僅僅是猜測，權當參考。

祝好。

容易被混淆的差異：
1 天體物理學意義的黑洞和理論物理意義的黑洞；
2 坐標時和固有時，什麼叫奇點的幾何？選取哪個slicing？
3 永恆黑洞和參與動力學過程的黑洞。
建議先明確一下再展開討論

無論是電磁波，還是引力波，都不可能逃離視界。視界的定義就是內部的事件無法影響外部。黑洞產生的任何電磁波信號，引力波信號都是來自黑洞外部的。黑洞的高能輻射束是靠近視界的被加速到接近光速的高能粒子撞擊光子產生的，霍金輻射是視界周圍的量子漲落產生的，而引力波是雙黑洞合併過程對周圍的時空的擾動產生的。無論是哪種輻射，它們都不是來自黑洞內部的。

然後黑洞的內部結構我們無法通過實驗觀測，都是根據廣義相對論推導的結果。理論表明施瓦西黑洞內部有一個奇點，所有進入黑洞的物體會在有限時間內到達奇點。但克爾黑洞(旋轉黑洞)就複雜很多。因為克爾度規不像施瓦西度規，它的內部是不穩定的。克爾黑洞的事件視界底下有一層柯西視界，進入事件視界的物體會像進入施瓦西黑洞那樣在有限的時間內到達柯西視界，事件視界和柯西視界之間的區域是穩定的。然而，柯西視界的內部是不穩定的，奇環，閉合類時環，蟲洞這些都存在於克爾度規的柯西視界裡面。但既然柯西視界內部是不穩定的，所以我們也不知道真實黑洞的柯西視界內部會發生什麼。

最後說說空間引力波探測器和地面引力波探測器的對比。它們其實不是競爭關係而是互補關係。地面探測器是面向高頻引力波信號的，比如小黑洞合併，中子星碰撞，超新星；而空間探測器是面向低頻引力波信號的，比如超大質量黑洞合併，密近雙星等等。地面探測器的優勢是成本低，但它會受到震動雜訊的干擾。儘管LIGO有完善的減震措施，但這些只能隔絕高頻雜訊，不能隔絕低頻雜訊。所以LIGO在低頻區的信噪比很不好。另外引力波探測器的敏感波段和臂長有關，最佳臂長是1/4個引力波波長。LIGO的等效臂長是1500km，而eLISA的臂長是100萬km。所以eLISA最敏感的波段是波長400萬km的低頻引力波，並不適合探測高頻引力波。

總之，地面引力波探測器和空間引力波探測器的定位不同，沒有可比性。

關於最佳臂長的參考https://www.quora.com/Is-it-true-for-the-arms-of-the-gravitational-wave-detector-the-longer-the-better 回答者曾在LIGO工作過。

探索黑洞事件視界內部原則上來說是不可能的，經典黑洞提出的無毛定理（事實上應該是三毛，有質量、角動量和電荷）在經典上徹底否定了內部結構。霍金輻射雖然讓我們看到了跑到量子水平上可能存在希望，但霍金輻射是非常非常的弱，導致探索的這種量子效應基本無望，何況在黑洞附近還有很多很多另外的輻射。此外霍金輻射也只是視界之外的效應，沒有具體涉及到黑洞內部的任何結構。即使不是黑洞，引力波的研究如果進入到量子引力的範疇，我就會表示懷疑了，因為這麼小尺度的效應，在引力傳播經歷各種散射後，一定會完全發現不了了。
至於第二個問題，我真的完全不懂，見諒了。

發現被邀了。去年大熱的時候沒跟上節奏，物理學渣怕被本專業罵民科不敢強答，現google了一點給自己科普了下。

第一個問題，看了上面的答案，很多（包括@孫瑋師兄）提到黑洞視界面內的信息是無法觀測的。然而似乎有個裸奇點的例外（Gravitational Radiation from a Naked Singularity -- Odd-Parity Perturbation --， 1999年發表在影響因子～2.3的理論物理進展上，引用30+篇）。如果裸奇點的存在能夠得到觀測驗證，引力波探測確實能夠幫助確定奇點幾何形態。我不敢說引力波探測是不是能反過來驗證裸奇點是否存在……

第二個問題已有的答案能夠已經能夠回答。發現Quora上有人問過類似的問題Can you make a comparison between LIGO and LISA?答案也一致。兩者探測頻段不同決定了探測到的引力波事件不同，後者傾向於時標更長的事件（對應低頻）。

嗯。。。GR都忘光了，作簡單的回答與補充：

問題一：利用引力波探測能否探明黑洞奇點的幾何形態？

說實話沒明白這個問題。甭管什麼信號，只有黑洞視界面以外產生的才能被我們觀測到。因此，引力波探測估計只能有助於確定視界面的幾何形態，即黑洞的角動量。

問題二：天基引力波探測基陣（部署在太空中，位於地-月或地-日拉格朗日點），相對於地表的引力波探測系統有沒有優勢？

如 @Gyroscope所說，工作頻率不同決定兩者是互補的關係。從科學上判斷似乎確定超大質量黑洞的併合是更有意義的。而且，空間引力波探測器也需要克服很多技術難題，比如衛星姿態與相互位形什麼的？

萬有引力是兩個有質量的物體之間在宇宙範圍內所發生的相互吸引的現象，也可以理解為一個有質量的物體在空間中所建立的可以使另外一個在這個空間中發生力的作用的一個空間力場。一般情況下，這種力場的分布是相對平靜的，即便是會存在星系中各種以中心巨大質量體或者黑洞為中心的圓周運動，從而產生引力的變化，但是這種變化過於微弱，因此不能在巨大宇宙尺度和背景中有效的傳播，也就是說會由於距離的衰減作用而被淹沒在宇宙的背景引力雜訊中。但是當發生了像大規模的星體碰撞或黑洞碰撞或者融合的現象後，會導致其周圍空間的引力場的巨大波動，而這種波動由於能量巨大，所以會在宇宙中進行超遠距離的傳播，這樣就會被地球上設立的探測器感知到。
感知這種宇宙深處引力波的裝置是從一種叫做邁克爾遜干涉儀的儀器改造而成儀器，邁克爾遜干涉儀曾經是被用來驗證以太存在而設計的儀器，但是由於實驗的失敗導致了這個儀器被放棄，但是科學家發現，這個儀器還有另外一種功能，那就是一種遠紅外光譜儀，也叫作傅里葉紅外光譜，由於這種光譜儀的原理是通過干涉原理設計的，擺脫了傳統的光柵光度計由於分光的原因導致的靈敏度較低的缺陷，所以在固體樣品的紅外光譜檢驗中具有特別的優勢，所以被廣泛應用。
後來科學家發現，這個邁克爾遜干涉儀經過改造還可以觀察到空間的伸縮現象，因此經過改造，在地球表面建立了一些大型的改進裝置，這種裝置是由兩個長度較長的相互垂直的激光干涉光路組成，如果引力波到達地球就會引起地球空間在傳播方向上的空間的波動性伸縮，就會引起激光干涉環的移動，通過檢測這種移動就可以探測到引力的波動。這個就是引力波的比較通俗的理解和儀器原理的解釋，我也是業餘派，說的可能不專業，見笑了。
至於寄點這個概念，我所理解的的是，這是宇宙大爆炸理論中，宇宙收縮坍塌後收縮的極限狀態，這個時候宇宙的空間和時間都瞬間消失，宇宙中的所有質量都集中到一點，這個點叫做寄點，這是在宇宙對稱的情況下才會發生的事情，如果宇宙本身是不對稱，那樣這樣種情況就不會發生，所以寄點這個事情用物理學可以勉強成為一個概念，並且是被物理學家推測出的以假設前提的概念，如果用哲學的觀點看，這應當是一個理念。
而黑洞的規模跟宇宙相比，質量體的規模太小，應當還不能達到產生寄點的規模，因此黑洞本身可能還是有一定體積的，這樣也會維持一定的穩定性而不會發生爆炸。這是我對黑洞的理解。

把一對糾纏的量子，扔一個進去，是否就能把黑洞內部的信息傳遞出來了呢？

相對論否了

首先申明，我是個純業餘的，跟上面幾位專業人士不能比啊。以我從幾本雜誌看來的知識隨便說說，，
問題一：利用引力波探測能否探明黑洞奇點的幾何形態？
以人類目前的知識，還做不到。剛剛探測到了引力波，還非常微弱，好像沒什麼大用。另外黑洞奇點怎麼定義？不太懂，跟宇宙大爆炸的奇點一樣么。如果是，這個奇點應該沒有幾何形態，就是一個無限小的點而已。
問題二，感覺差不多吧，主要是太空沒有地球上的外界環境影響。

謝邀，現在引力波探測器探測精度為10^-21，如果能定位幾億光年外的引力場變化，也能定位幾百公里外一輛汽車裡面1千克的活塞運動了，地球上的任何飛機，大大小小的汽車，表面的大氣變化，設備傍邊人的心臟跳動差生的引力變化也能測到，地球內部的地震物質之間的碰撞都能觀察到了，再說定位，一個設備定向是一個曲面，兩個設備定向是曲面相交成一個曲線，這兩套設備無法知道是哪裡的產生的引力波，再看給出引力波圖，開始大約10Hz的頻率最終是大約20Hz的頻率，波幅變化，開始波幅到最終的波幅變化在一個數量級內，像這麼大質量的黑洞最後的碰撞引起的引力輻射起碼要幾個數量級的變化，花費這麼多錢這個設備在多方質疑的時候，突然宣布發現了引力波而且精確到位置和質量，現有ligo這個引力波探測器探測到引力波有疑問的。
黑洞存在嗎?現在黑洞存在與否還是有很多爭論的，如果黑洞存在，視界內部物質之間空間會無限的膨脹時間會被靜止，引力和各種電磁波輻射怎麼穿越無限大的空間到外部?即使引力可以超越光速傳播，黑洞內部的物質產生的引力經過黑洞內由於空間無限大的距離傳遞出來最終結果是引力為零，黑洞內無法把引力和各種輻射傳遞出來，黑洞外界感受不到黑洞的引力和各種輻射怎麼感知黑洞的存在？只能感知到黑洞視界以外的物質產生引力和各種輻射能量，黑洞內物質在外部看來消失掉了，黑洞現在只是一個設想猜測，現在各種各樣的猜測設想成千上萬太多了，經過驗證的猜測鳳毛麟角。
奇點，奇點是在黑洞外部設想物質在黑洞內無限聚集的一個點，外部各種觀察測量都是一個點，只有進入到奇點內部後才能知道奇點的幾何形狀，外部是沒法知道這個奇點的內部結構的，如果黑洞的奇點存在，咱們的宇宙可能就是一個奇點，宇宙中各個黑洞是這個宇宙內部的奇點，大奇點和小奇點是相通的，宇宙中所有的黑洞內部產生的奇點都是相同的黑洞外部的宇宙形狀，只是由於進入這個奇點的位置和時間的不同，消失在奇點的時候，會出現在宇宙不同的時間和位置，也就是現在很多關於蟲洞的效應，人為製造奇點在需要傳送的物質外建立一個原子級球形薄膜層，想盡辦法在這個薄層施加能量使之原子內部的產生的視界擴大原子之間的距離那麼大，把原子級相鄰的視界互相連接在一起，在外部所有的光電磁波會直接順著這層膜邊緣穿過，這層膜和膜內部瞬間變成一個奇點消失掉，在宇宙另外一個時間另外一點出現完成時空的穿越。
關於題主的問題1，以上說明引力波探測器本身質疑的問題太多了，從奇點外部測量奇點幾何形態就更不靠譜了。
問題2：天基的引力波探測器，優點是距離遠，但是現階段的技術缺點太明顯了，首先要找到3條線段互相垂直的4個固定點，地月的拉格朗日點有4個點沒有互相垂直的，而且拉格朗日點沒有精確的位置，這個點是一片區域，現在衛星定位精度是米亞米級別，在天上怎麼定位，ligo的精度可以達到原子半徑的距離。在太空中2個點保持相互不動的狀態基本不可能何況4個點，而且2個軸向可以定位成一個曲面位置，3個軸向定向的是一條曲線，曲線上任何一點造成的引力波都有可能，還無法測得指向引力波源的一條射線，中國前階段要花費100億搞天基的引力波探測器，要探測引力波根本就不靠譜，打水漂的項目，還不如在地球表面建造探測器，發現一些地球表面上飛機，潛艇，汽車這些運動物體產生的引力場變化，比遠在幾億光年外產生的引力波更容易發現，先能精確定位一個在一公里外人的心跳產生的引力場的變化更靠譜，當軍用雷達用唄。