引力波，帶人類傾聽星辰大海之聲

出品：科普中國

製作：黑洞來客團隊

監製：中國科學院計算機網路信息中心

編者按：

在一波又一波傳言後，終於！北京時間2016年2月11日23:40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）負責人、加州理工學院教授DavidnReitze宣布，人類首次發現了引力波。

發布會上究竟揭開了哪些謎團？與之前的傳言有何不同嗎？

科普中國移動端科普融合創作項目特邀中國科學院國家天文台黑洞來客團隊（團隊主要成員苟利軍研究員為國家天文台恆星級黑洞研究創新小組負責人，而這次被探測到的引力波正是來自雙黑洞系統），全面解讀這場激動人心的發布會。

一波又一波的引力波傳言終於在北京時間11日晚上的美國自然基金會的新聞發布會中塵埃落定：人類首次直接探測到了引力波，這是真的！正如發布會所言，在被預言將近百年、苦苦追尋幾十年之後，首個位於地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測到，這是一個值得紀念的偉大時刻，一個新時代的序幕正在拉開——地球人，歡迎你來到引力波時代！

激動人心的發布會結束了，其重點內容可以被簡單歸納為三點：

（1）引力波終於被探測到了。

（2）引力波產生於兩個恆星量級黑洞的合併(merger)。

（3）引力波是美國的激光干涉引力波天文台（英文簡稱LIGO）發現的。

接下來，讓我們逐個分析和解釋一下以上三點，從而對這項具有劃時代意義的科學發現做一個稍微深入的了解：

（圖1註：雙黑洞系統想像圖。（來源於LIGO網站））

天外飄來引力波

對於「波」，我們並不陌生，生活中時常會聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等等，引力波也是波的一種。

既然稱之為引力波，它必然與引力有關。所以，在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對於引力的認識過程。17世紀末的物理學家牛頓看到了下落的蘋果，意識物體之間普遍存在的一種力，稱之為「引力」，並且將其數學化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認識的精髓是物體質量的存在導致了引力，這在牛頓之後的兩百多年裡被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發表，再到1915年廣義相對論的發表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對於引力的看法，引力是因為質量對於時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引。這就意味著，我們時空可被當做一種可以變形的介質來認識。所以引力波，簡單來說，就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時空之中傳播的，時空是它的媒介。

人們常說「星辰大海」，如果將時空視作海洋，那麼天體就如同海洋生物一般。可以想像，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的我們所感知。

在引力的世界中，我們的宇宙通常是平靜的。可是在北京時間2015年9月14日17點50分45秒，地球上的LIGO探測器卻探測到了來自於宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風暴，來自於一個雙黑洞系統的合併，以它的探測日期命名為nGW150914。

（圖2註：LIGO的兩個觀測站探測到了同一個引力波事件。上面為觀測得到的曲線，下面是和理論相比較之後的擬合結果。（來源於LIGO所發文章））

兩個黑洞的「火併」

此次發布會的另外一個亮點就是雙黑洞。這也是人們首次直接發現雙黑洞，這兩個黑洞的質量分別為26和39太陽質量，屬於恆星級黑洞。或許你已經聽膩了黑洞，生活中時不時的會聽到某某黑洞爆發了，某某黑洞吞吃恆星了等等。但是這此發現卻有些不同，兩個天體都是黑洞，互相繞轉，最後合併。這聽起來像是一場黑吃黑的火拚，甚至有點兒像港片里熟悉的火爆場面。黑洞合併產生了非常強烈的時空振蕩，所以我們遙遠的地球才觀測到了。

黑洞通常認為是大質量（超過25個太陽質量，請注意這是前身星的質量）的恆星在其演化的最終階段，恆星中心會形成我們了解的恆星級黑洞。它們的質量通常預計在3個太陽質量到100個太陽質量之間。因為黑洞本身沒有任何的輻射（不考慮量子效應下的霍金輻射，它的電磁輻射也是異常微弱），所以我們不能直接看到黑洞。我們的銀河系或者其他類似的星系當中當中，每個星系都預計存在著上千萬個恆星級黑洞，但是絕大多數的黑洞都是孤獨存在的天體，如同幽靈般，沒有任何輻射或者輻射及其微弱，所以很難被看到。

所幸，有的黑洞處於雙星系統當中，就像發布會中提及的系統，而且另外一個天體是正常的恆星（也稱之為伴星）。在這種情形之下，黑洞會從正常恆星上吸積氣體，在其周圍產生一個吸積盤，以至於某些時候吸積氣體的量過多，不能被黑洞直接吞掉，這時還會沿著黑洞的兩個轉軸將多餘的氣體拋射出去，從而產生非常壯觀的噴流。正是因為吸積盤和噴流的存在，他們都能夠產生我們非常熟知的電磁輻射（也就是有我們熟知的光子產生），從而我們利用傳統的探測方式，比如地面或者太空的望遠鏡，就可以間接地探測黑洞的存在。

大約在50年前，人類就是利用此方法發現了第一個黑洞候選體，天鵝座X-1n(Cygnus X-1)。在1974年，地球上兩顆聰明的大腦、理論物理學家霍金和好朋友基普·索恩就這個候選體是不是黑洞而打了個賭，他們以一年的成人雜誌《閣樓》作為賭注。後來的觀測是利用天鵝座X-1中的伴星運動測得了黑洞質量，大約為15個太陽質量，從而霍金認輸並且在兩人的賭書上簽名按上了自己的手印。基普·索恩從那時起就贏了。

對於雙黑洞系統，他們幾乎不會產生能夠為傳統方式所觀測到的光子。所以，即使它們存在，僅憑藉傳統的觀測方式，我們也無法發現他們。況且，很多的人都懷疑它的存在。但是，在雙黑洞繞轉，尤其是合併之時，會產生很強的引力波。只要引力波探測器足夠靈敏，我們就可以發現它們的蹤影。面對大家的懷疑，LIGO的發現用事實證明了它的存在。而此次發現引力波的天文台的創建人之一就是基普·索恩——索恩教授又一次贏了！

引力波為黑洞做名片

在觀測到了完整的引力波形之後，利用一種叫做匹配濾波（waveformnmatching）的方法，理論上就可以推斷出系統的性質信息，包括合併之前和之後。比如，對於雙黑洞系統，可以推斷出合併之前的黑洞質量，自旋和軌道，以及合併之後的質量和自旋。此次新聞發布會中所提及的引力波事件，就得到黑洞的質量在合併之前是26個和39個太陽質量，合併之後是62個太陽質量（合併之前的兩個黑洞自旋參數值限制的並不是很好），合併後黑洞是一個克爾黑洞，其自旋參數值為0.67。

你或許會有疑問，合併之後怎麼少了3個太陽質量，它跑到什麼地方去了？引力波也是攜帶能量的，在黑洞合併之時，它的形狀非常不對稱，不是我們看到的單個黑洞的球形，所以在振蕩恢復的過程當中，一部分質量就通過引力波的方式輻射出去，從而為我們所接收。合併的時間非常之短，僅僅在大約0.05秒的時間，就將3個太陽質量（大約6.0E30公斤）的能量就通過引力波的方式釋放出去，也就是說在一秒鐘可以釋放出大約10^32公斤的能量。相比較之下，我們的整個宇宙包含了大約1.0E22個太陽，而每個太陽每秒鐘向外輻射大約4.0E9公斤的物質能量，所以黑洞合併的最後釋放出比整個宇宙每秒鐘輻射出的電磁總能量還要高出3倍。

（圖3註：雙黑洞系統在不同階段所產生波形隨時間演化圖。雙黑洞系統的演化包括三個階段：旋近(inspiral),n合併（merger）和鈴振（ringndown）階段。（來源於LIGO所發文章））

我們注意到，合併前黑洞的質量為26個和39個太陽質量——這兩個質量都比目前已知的恆星級黑洞要重許多。我們現在已經確認了大約20多個恆星級黑洞，最重的恆星級黑洞位於M33nX-7系統中，為16個太陽質量。而其它所有確定的黑洞質量均比這個小，大多數是七八個太陽質量左右。儘管理論之前預言了更大質量的黑洞的存在，但是之前從來還沒有發現過，所以此次發現更大質量黑洞，對於黑洞的形成渠道也有著重要影響。

我們所看到的所有恆星，都是處於旋轉當中。所以對於那些由恆星塌縮而形成的黑洞而言，它們也是處在旋轉之中。對於黑洞的旋轉，天文學家用一個叫做「自旋參數」的量來表示，它在0和1之間變化——0代表了沒有轉動的黑洞（也叫「史瓦西黑洞」），而1代表了理論上黑洞所具有的轉動最大值（也叫「極端克爾黑洞」）。對於此次觀測中合併以後的黑洞，它的自旋參數為0.67。如果我們以轉速來描述，它在以每秒鐘100轉的速率轉動。相較而言，我們剛才提到的人類第一個黑洞「天鵝座X-1」，n它是一個極端克爾黑洞，差不多在以超過1000轉每秒的速率轉動。

如果你覺得轉速依舊很難理解，那我們可以想像一下《星際穿越》電影的一個情節，主人公在卡剛都亞黑洞的行星上只呆了3個小時，但是後來卻發現飛船上已經過了23年，時間相差了6萬倍。要有這樣巨大的時間差，其中條件就行星極度靠近黑洞的同時，黑洞也以最大速度轉動。按照相對論理論所言，這樣行星上的時間就會被極大的拉長。天鵝座黑洞的轉速就具有類似於電影中卡剛都亞黑洞那樣的轉速。對於此次引力波探測到黑洞而言，即使有某個行星在其周圍最靠近的穩定存在，那麼對於它的時間也會流逝的很慢，不過不會有6萬倍那麼大的差別，最多也就2倍左右。

對於黑洞而言，有著非常著名的無毛定理，也就是說黑洞只需要簡單的幾個量就可以描述。對於宇宙當中的黑洞，只需要我們上面所說的質量和自旋參數就可以完整的描述。當我們知道了黑洞的質量和自旋參數一些性質時，我就可以很容易的對黑洞本身的全貌做出一個描繪，就如同給出了一個人的完整自畫像。而引力波的方法可以快速給出黑洞的完整信息，這相比較傳統的觀測方式，更為有效，儘管在觀測方面有些困難。

氫原子的百億分之一

從預言到探測，物理學家等待引力波的到來已有一百年之久，為什麼引力波這麼難得一見？主要原因是，相比較其他的幾種力（強力，弱力，電磁力），引力是最弱的，相應的引力波效應也就很弱。想當初愛因斯坦在發表自己新的理論之後，就估算了引力波的強度。引力波的強度通常利用相對變形大小來表示，但是結果往往是小的可憐，幾乎無法探測到。引力波是時空的自身變形，在一個方向上被拉伸，在其垂直的另外一個方向上就會被壓縮。如果我們有一天，我們被同樣的雙黑洞系統在合併時所產生的引力波（變化強度為1.0E-21）所擊中的話，理論上來說，我們同樣會經歷一個稍微變高變瘦，然後變胖變矮一些的過程。實際上，對我們身高不超過2米的人類來說，導致的變化大約為2E-21，為一個氫原子的五百億分之一（一個氫原子的大小大約為1.0En-10米）。

引力波的效應是如此之小，所以一方面需要增加探測的長度，來增強變化的效應，另外一方面通過巧妙的方法來探測到微小的變化。這也是此次新聞發布會中提到的激光干涉引力波天文台(LIGO)在建造之初所考慮的。它有兩個觀測點，分別建在美國華盛頓州的列文斯頓和路易斯安那州的漢福德。每個觀測點都有兩個互相垂直，每條長達4公里的臂。長臂中間是高度真空的管子，而在長臂兩端，懸掛著大約直徑34厘米、重達40kg的反射鏡。LIGO的探測器利用激光干涉技術，不間斷地測量每對反射鏡之間的距離。每當引力波通過探測器時，人們會探測到兩對反射鏡之間的距離呈現此消彼長的周期性變化。

即使對於LIGO天文台4公里的長臂，引力波所造成的變化也是極其微小的。對於此次新聞報道中的雙黑洞合併，其可能產生的尺度相對變化最高可為1.0E-21，意味著4公里的長度也僅僅只變化了一個氫原子直徑的2.5千萬分之一。為了達到這個精度，LIGO的科學家做了許多精密的設計，保證探測系統的穩定，保證LIGO反射鏡的位置隨機漲落小於一個氫原子大小的百億分之一，從而保證可以相對比較容易的探測到可能的引力波源。

LIGO在1999年建成並且開始運行。但是在進行升級之前（也就是2010年），沒有探測到任何確定的引力波事件。從2010年開始，LIGO對探測器進行了第二階段的升級，2015年6月進行測試運行，2015年9月開始正式運行，第一階段的科學運行一直持續到2016年1月，升級後的版本被稱為Advanced LIGO （簡稱aLIGO）。而此次新聞發布會的結果其實就是在剛剛升級完之後，由還在進行測試中的的aLIGO所探測到的。相比較之前，aLIGO的探測靈敏度提高了10倍。而且此次的雙黑洞所產生的引力波強度就在僅僅比最初LIGO的靈敏度低一些，所以當LIGO的升級剛剛完成，在試運行的階段就發現了所報道的雙黑洞系統。探測到引力波似乎就在本來的預料當中。就像發布會中所言，這或許是大自然給我們苦盼許久的一份禮物。2012年，LIGO天文台創建人基普·索恩在《科學》雜誌的一篇評論文章中說，預計在2017年，第一例黑洞合併的事例將會被發現。當時預計LIGO的升級會在2016年底完成，結果是升級進度超前，讓我們提前聽到了宇宙時空的聲音。

（圖4註：LIGO和aLIGO靈敏度比較（左）；LIGO和aLIGO探測範圍比較(右)。（圖片來源於LIGO網站））

誰將撼動時空

那麼在我們的星辰大海中，什麼樣的天體才能夠撼動我們的這個宇宙時空，讓位於遙遠地球上的LIGO探測到呢？現在通常認為有如下四種：

（1）旋進(In-spiral)或者合併的緻密星雙星系統。比如中子星或者黑洞的雙星系統。非常類似於發布會當中的系統。

（2）快速旋轉的緻密天體。這類天體會通過周期性的引力波輻射損失掉角動量，它的信號的強度會隨著非對稱的程度增加而增加。可能的候選體包括非對稱的中子星之類的。在《星際穿越》電影當中，教授說它發現了引力波，而它的其中一個產生機制很可能就是由一個快速轉動的中子星，其表面大約2厘米的凸起所產生的（具體分析可以參閱由基普·索恩撰寫的星際穿越一書）。

（3）隨機的引力波背景。非常類似於我們通常熟知的宇宙背景輻射，這一類背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴漲的遺迹。2014年由加州理工、哈佛大學等幾個大學的研究人員所組成的BICEP2團隊曾宣稱利用南極望遠鏡找到了原初引力波，但是後來證實為銀河系塵埃影響的結果。原初引力波的探測將是對暴脹宇宙模型的直接驗證，對於它的探測依舊在努力尋找之中。

（4）超新星或者伽馬射線暴爆發。恆星爆發時非對稱性動力學性質也會產生引力波。而直接探測到來自於這些天體的引力波，將是提供對這些天體最直接而且最內部的信息。

除過LIGO之外，還有義大利的VIRGO引力波探測器，日本的KAGRA探測器以及英國德國的聯合GEO-HF探測器。相信在不遠的未來，引力波的探測事例會如同春筍般爆發，越來越多。

（圖5註：全球引力波天文台分布（來源於LIGO網站）。）

為一窺宇宙初生n

毫無疑問引力波是對廣義相對論的一個最直接的驗證。另外它在弱場中已經得到驗證，但是對已強引力之下的驗證，之前卻從來沒有驗證過。所以此次的觀測，是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。

引力波以光速傳播，它與物質的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之後的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程，而對於電磁波而言，它最早只能看到大爆炸後的大約300，000之後的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解我們宇宙形成的最好工具。

如果還記得，在《星際穿越》電影中的結尾之時，主人公庫珀身處一個5維時空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時空的女兒墨菲，人為的製造引力波效應，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。引力波從目前物理學家的認識來看，是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產生引力波。說不定在不遠的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。

就如同一個天生的聾啞人，一直在聽別人說聲音的存在，突然有一天聽力恢復了。我想我們此刻的心情也是差不多如此。引力波給我們打開了一扇全新的窗口。引力波是一種方式，是一種看待世界的方式。歷史的發現軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會有令人稱奇的發現。雖然LIGO的探測能力還是有限，一旦這個引力波的世界被撬開了一道小的裂縫，讓我們看到了春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節也不會太遠。

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