震撼再次來襲：科學家第三次探測到雙黑洞合併產生的引力波

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激光干涉引力波天文台（The Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory ，簡寫LIGO）已經第三次探測到引力波——時間和空間的巨大的波動的漣漪，更進一步地證明天文學一扇新的窗口已堅實地打開了。這是一個全新的科學探究領域，引力波天文學，意味著人類正開始用一種新的方式觀察和研究宇宙，通過探測宇宙中波動的時空的漣漪，解碼宇宙的奧秘。

和前兩次的情況一樣，這次探測到的引力波也是兩個黑洞合併形成一個更大的黑洞時所產生的。

通過合併產生的新黑洞，具有約49倍的太陽質量。LIGO第一次探測到的融合後的黑洞質量約為62倍太陽質量，第二次的融合黑洞約為21倍太陽質量。這意味著，科學家進一步證實了存在大於20個太陽質量的恆星質量黑洞，而在LIGO真切地探測到它們之前，人們並不知道存在這樣的天體。

為了便於理解，先插播一些有關引力波的簡單介紹：

一、什麼是引力波？

首先，由愛因斯坦的廣義相對論指出並被科學觀測所證實，引力會引起時空彎曲，時空的彎曲結構取決於物質的能量密度、動量密度在時空中的分布，而時空的彎曲結構又反過來決定物體的運動軌道。

引力波，則是時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。1916年，愛因斯坦在他的廣義相對論中預言了引力波的存在。愛因斯坦的數學表明，大質量的加速運動的物體（如繞著彼此運行的中子星和黑洞）將會破壞時空的結構，使得扭曲的空間的「波浪」從源頭向外輻射。並且，這種漣漪將以光速穿過宇宙，攜帶著輻射源的信息，同時也帶走了輻射源的部分能量，以及有關引力本身性質的極其重要的線索。

圖片：以降低一維的方式展示引力波，時空彎曲的漣漪。圖片來自：SBS - Special Broadcasting Service

儘管愛因斯坦在1916年就提出了引力波的存在，但是直到1974年，人們才真正找到引力波存在的證據。

1974年，在波多黎各阿雷西博射電天文台工作的兩位天文學家Joseph Taylor和Russell Hulse發現了一個脈衝雙星系統（兩個極其緻密的大質量恆星繞著彼此運行的系統），根據廣義相對論，這個脈衝雙星系統應該會輻射出引力波。為了證實愛因斯坦大膽的預言是否正確，天文學家開始測量這個脈衝雙星系統的軌道周期是如何隨時間變化的。經過8年的觀測，天文學家確定這兩顆恆星隨著時間的推移彼此之間接近的速度，正是由廣義相對論所預測的速度。由於這一發現，Joseph Taylor和Russell Hulse在1993年獲得了諾貝爾物理學獎。

圖片：模擬圖，兩個黑洞繞著彼此旋轉進而融合成一個黑洞 圖片來自：The Saxon Scope : Bringing you the latest at Langley

看過電影《星際穿越》的朋友們或許會知道基普 索恩（Kip Thorne）,他是這部電影唯一的科學顧問，師從著名的物理學家約翰 惠勒，Thorne致力於宇宙時空彎曲的研究，並和其他科學家一起創建了著名的LIGO（The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,激光干涉引力波天文台），尋找來自遙遠宇宙的空間波動。終於在2015年9月14日，LIGO第一次在物理上感知到時空本身的扭曲，LIGO當天探測到的引力波來自於13億光年之外兩個黑洞的強烈碰撞——這一發現應該會成為人類歷史上最偉大的科學成就之一。

二、為什麼要花費大量的金錢、時間和人力去探測引力波？

LIGO已經建立了幾十年，其間已經投入了天文數量的金錢、長期的細緻規劃和不斷的更新迭代，以及數量在千人之上的研究人員。為什麼要花費如此巨大去探測引力波呢？

因為，根據LIGO目前的精確程度，它可以探測到的引力波將是由宇宙中最為震撼的天文事件所產生的，例如黑洞間的碰撞、恆星爆炸、甚至是宇宙的誕生。

長期以來，科學家們都主要依賴於對電磁輻射（例如可見光、X射線、無線電波、微波等）的觀測來學習和了解宇宙中的事物和現象。

引力波並不是電磁輻射，它是完全不同的現象，它攜帶了電磁輻射所不能攜帶的有關宇宙的事物和天文事件的信息。例如，黑洞的碰撞，幾乎不會發出或者只會產生很少的電磁輻射，但是，由黑洞的碰撞產生的引力波卻使它們就像黑暗宇宙之海中的信號燈一樣閃閃「發光」。

此外，由於引力波與物質的相互作用非常弱（不像電磁輻射），它們在宇宙中的穿行幾乎暢通無阻，使我們能夠清楚地看到引力波宇宙。引力波所攜帶的有關它們的輻射源的信息，不會像電磁輻射穿過星際空間時遭受種種變形或改變。

這種全新的探測天體物理物體和現象的方法，將大大增加我們對宇宙本質的理解和對時空本身的了解。

三、引力波的來源和類型

實際上，任何有質量的物體在加速運動時都會產生引力波，比如奔跑的人、行駛的汽車和飛機，都可以產生引力波。只不過，由我們產生的這些引力波實在是太微弱了，以至於無法探測到。

但是，在宇宙中，存在大量的難以置信的大質量天體，當它們加速運動時，就會產生強大的引力波。為了了解這些天體可能產生的引力波，LIGO的科學家定義了四種類型，每種引力波都具有干涉儀可以感測的獨特的「指紋」或典型振動特徵。它們分別是：連續引力波（c Continuous Gravitational Waves），緊湊雙螺旋引力波（CompactBinary Inspiral Gravitational Waves），隨機引力波（StochasticGravitational Waves）和爆發引力波（Burst Gravitational Waves）。

插播到此結束，下面接著介紹LIGO第三次探測到引力波的相關情況。

LIGO的第三次探測，被稱為GW170104，發生時間是2017年1月4日，此次探測的相關論文已經被《物理評論快報》接受發表。

在LIGO的三個引力波探測案例中，每一個探測器（LIGO一共有兩個探測器）都探測到了雙黑洞合併產生的極其強大的引力波。

這些引力波到底強大到什麼程度呢？比在任何給定時刻宇宙中所有的恆星和星系輻射出的光的能量還要強大。

第三次探測到的引力波發生的距離是三次中最遠的，距離地球大約30億光年之遠。

第一次、第二次探測到的引力波的距離分別是13億和14億光年遠。

新的探測結果還提供了有關雙黑洞旋轉方向的線索。當兩個黑洞互相旋轉著靠近彼此的時候，它們自身也在圍繞著自己的旋轉軸自轉。有時，兩個黑洞會在相同的整體軌道方向上旋轉，天文學家稱之為對齊旋轉；有時，兩個黑洞會在與軌道運動相反的方向上旋轉；甚至，兩個黑洞也可以從軌道平面向外傾斜。基本上，黑洞可以在任何方向上旋轉。

圖片：藝術概念圖，LIGO第三次探測到的雙黑洞合併前繞著彼此旋轉靠近。　圖片版權：LIGO。

LIGO新的數據不能確定最近觀察到的黑洞是否傾斜，但是這些數據暗示，與整體軌道運動方向相比，至少有一個黑洞可能已經不對齊。

「這是我們第一次有證據表明，（雙黑洞系統中的兩個）黑洞的旋轉可能是不對齊的，這給了我們一個小提示，雙黑洞系統有可能是在緻密的星團中形成，」賓夕法尼亞州立大學和迪夫大學的Bangalore Sathyaprakash介紹說。

關於雙黑洞系統是怎樣形成的，目前有兩個主要的模型。一個模型認為，兩個黑洞是同時誕生的。它們原本應該是一個雙星系統，雙星系統中的兩顆恆星同時走到生命盡頭塌縮成黑洞，由於原來的雙星是自旋對齊的，因而後來形成的黑洞也是自旋對齊的。

在另一個模型中，雙黑洞系統中的兩個黑洞並非同時誕生，它們是在擁擠的星團中遇到彼此的。在沉入星團中心的過程中，兩個黑洞相遇並形成了一個雙黑洞系統。在這種情形下，兩個黑洞可以相對於它們的軌道運動朝著任何方向自旋。

由於LIGO的數據提供了某些證據，表明GW170104雙黑洞並沒有自旋對齊，因而這個案例更傾向於第二個形成模型，即緻密星團理論。

LIGO-Virgo團隊正在繼續搜索最新的LIGO數據，了解宇宙遠方的時空波動的漣漪跡象。他們還正在為LIGO的下一次運行進行技術升級，計劃於2018年末開始，屆時探測器的靈敏度將得到進一步提高。

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