從類星體到引力波

從類星體到引力波

20世紀60年代，天文學中有四個重大的發現：星際有機分子，微波背景輻射，脈衝星和類星體。這四個發現都是由研究射電天文方法探測到的無線電波而得到的結論。星際有機分子的發現有助於人類深入了解星雲，也有可能由此揭開生命起源的奧秘。其餘的三項發現都與「引力」有關，也就是說，直接或間接地為100年之前愛因斯坦建立的廣義相對論提供了實驗觀測的證據。

半個世紀之前被兩個美國工程師所觀察證實的微波背景輻射，為基於廣義相對論來描述宇宙的誕生和演化過程的大爆炸模型提供了十分重要的依據。微波背景輻射使宇宙學成為了一門精準的實驗科學，對CMB輻射圖細節的分析和研究，至今方興未艾，詳情可見筆者的前幾篇博文。

脈衝星實際上是中子星，即核心由中子構成。廣義相對論建立之後，天體物理學家們也用這個理論來研究恆星的演化過程，恆星的生命歷程是與其質量大小緊密相關的，本質上也就是與引力相關。諸如太陽大小的恆星，壽命大約為100億年，比如我們的太陽正值中年，或者說，大約再過50億年之後，太陽會爆發成紅巨星，然後冷卻，成為白矮星，最後黑矮星（？）。但質量超過3倍太陽的恆星的命運與太陽不一樣了，它們在爆發成紅巨星和超新星之後，因為它們自身強大的引力，最後將「塌縮」成中子星或黑洞。

發現脈衝星，即中子星的過程頗富戲劇性，那是在1967年10月，一個似乎帶點偶然的事件。安東尼·休伊什（Antony Hewish，1924年－）是一位英國射電天文學家，他設計了一套接受無線電波的設備，讓他一位女研究生貝爾·伯奈爾日夜觀察。貝爾在收到的信號中發現一些周期穩定（1.337秒）的脈衝信號。這麼有規律！難道是外星人發來的嗎？貝爾興緻勃勃地向休伊什報告並繼續將收到的信號加以研究，兩人將這些信號稱為「小綠人」，意為來自外星人。但後來又發現這些脈衝沒有變化，不像攜帶著任何有用的信息。最後人們將這一類新天體稱為「脈衝星」，並且確認它們就是30年前朗道預言的中子星，發出的脈衝是中子星快速旋轉的結果。安東尼·休伊什也因此而榮獲1974年的諾貝爾物理學獎，但大多數人對貝爾未能獲獎而憤憤不平。比如霍金在《時間簡史》一書中，就只說脈衝星是貝爾發現的。

中子星雖然密度極大，大到難以想像的程度，但它畢竟仍然是一個由我們了解甚多的「中子」組成的。中子是科學家們在實驗室里能夠檢測得到的東西，是一種大家熟知的基本粒子，在普通物質中也都存在。而黑洞是什麼呢？就實在是難以捉摸了。黑洞從通俗的意義上理解就是任何東西進去就出不來，光也是如此。從廣義相對論的角度而言，黑洞是空間的一個奇點。因此也可以說，恆星最後塌縮成了黑洞，才談得上是一個真正奇妙的「引力塌縮」。

剛才說到的60年代天文界「四大發現」的另一個是類星體的發現。為什麼叫類星體呢？因為如果用光學望遠鏡觀測它們的外貌，看起來與恆星（星體）似乎沒有任何區別。但是，從它們觀察到的「紅移」值非常大，又不可能是恆星，因此便被稱為「類星體」。

從類星體的紅移值，它們更像是星系，然而，也可以從觀測類星體的光度變化周期來判定它們的大小，結果卻發現其大小遠遠小於一般星系的尺度。類星體的尺度雖小輻射能力卻相當的大。另外還有一些難以解釋的特點，以及後來大量的觀測數據，使得人們將它們與黑洞聯繫在一起。

之後，發現了類星體的宿主星系後，天文學的主流觀點基本上認為類星體是年輕而活躍的星系核，是星系發展早期的一段過程，叫做「活動星系核」（AGN）階段。而在星系核的中心，是一個巨大的超重黑洞，在黑洞的強大引力作用下，一些塵埃或恆星物質圍繞在黑洞周圍，形成了一個高速旋轉的吸積盤。外部的物質被吸進吸積盤，而捲入到黑洞視界以內的物質則不停地掉入黑洞里，被黑洞吞噬，巨大的物質噴流從與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出，同時伴隨著大量的能量輻射。

類星體最後將會演化成如同我們銀河系這一類旋渦星系，或者是另外一類：橢圓星系。

最有意思的是，後來天文學家們觀察到一些擁有兩個超重黑洞的類星體，這就大大激發了人們的興趣。黑洞既然會吞噬周圍的一切，那麼，兩個黑洞碰到一起，會發生一些什麼呢？最簡單最直觀的猜測應該是：它們將互相吞噬，最後合併成一個更大的黑洞。在這個碰撞融合的過程中，一定會以引力波的形式釋放大量能量，見圖1。

圖1：雙黑洞類星體

第一個在吸積盤內發現有雙超重黑洞的類星體是位於室女座的PKS1302-102，它距離地球35億光年。這個類星體位於一個橢圓星系內。根據計算，這兩個黑洞應在33.39億年前就已經互相吞噬而合併了，但這合併後的景象傳到我們這兒需要35億年！這些光信息還在半途中，因而我們仍然觀測到「雙黑洞」！不過，從現在開始，從這個類星體接受到的信息應該是非常精彩的，能讓我們看到兩個黑洞如何碰撞併合並！

此外，除了光信號之外，還有物理學家們正在尋找的引力波，這是愛因斯坦在天國里也要「夢寐以求」的東西啊。根據天體物理的理論，認為引力波也是按照光速傳播的，那麼，碰撞合併事件中的引力波，也應該可以被探測到！

於是，雙黑洞的類星體成為探測引力波的熱門候選天體，近幾年，美國的LIGO（激光干涉引力波觀測站）的觀測目標便指向了這類天體。美國花費巨資升級的LIGO應是目前最有希望觀測到引力波的儀器，最近幾天傳出不少新聞，據說捕捉到了引力波，《自然》和《科學》雜誌都有隱約其辭的文章。明天（2月11日）上午10點30分，華府將有一個新聞發布會，會確認這個消息。專家們將向全世界宣布首次直接探測到了引力波的消息，據說是遙遠宇宙空間之外的，由兩個黑洞（36倍太陽質量和29倍太陽質量）碰撞併合成一個62倍太陽質量的黑洞所引發，但願這次的結果能夠進一步得到驗證，不要像上次的中微子事件那樣了。

圖2：兩個黑洞碰撞並融合的計算機模擬圖

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