圖1：雙黑洞合并模擬
出品：科普中國
制作：黑洞來(lái)客 茍利軍 黃月
監制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò )信息中心
引力波無(wú)疑是2016年科學(xué)界最大的新聞之一。去年2月和6月，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉儀引力波天文臺）和Virgo（室女引力波探測器）科學(xué)組織聯(lián)合，先后公開(kāi)宣布了兩次探測到的引力波事件，街頭巷尾的人們都在議論著(zhù)引力波，這被認為是科學(xué)史上100年來(lái)的最大突破。在之后一段時(shí)間里，關(guān)于探測到更多引力波事件的謠言不斷出現，并未得到官方的確認。5月31日，在距離上次發(fā)布會(huì )近一年之后，LIGO和Virgo科學(xué)合作組織舉行了一次內部媒體發(fā)布會(huì )，確認了第三次引力波事件。
在大眾傳媒中間，引力波似乎已成為一個(gè)過(guò)氣話(huà)題，而對于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，對于引力波的探索和研究才剛剛開(kāi)始。LIGO發(fā)言人大衛·舒梅克（David Shoemaker）在發(fā)布會(huì )上說(shuō)，他期待著(zhù)，十年之后，引力波領(lǐng)域的新發(fā)現將超出我們的想象。
黑洞來(lái)客團隊以自由撰稿人的身份申請旁聽(tīng)了這次內部發(fā)布會(huì )，這一次，人類(lèi)又發(fā)現了哪些宇宙的小秘密呢？
一、一次略顯神秘的發(fā)布會(huì )
雖然發(fā)布會(huì )的召開(kāi)時(shí)間是北京時(shí)間5月31日深夜，但6月1日并沒(méi)有什么關(guān)于引力波的新聞見(jiàn)諸報端。原因有二：一來(lái)，這次發(fā)布會(huì )不同于之前兩次，并未采用慣用的視頻直播的方式，而是選擇了更為方便的電話(huà)會(huì )議，參會(huì )人員不必專(zhuān)程聚集到某一個(gè)地點(diǎn)；這也表明了引力波探測事件的日?；?，隨著(zhù)探測靈敏度的提高，將有越來(lái)越多的引力波事件被發(fā)現，隆重的視頻發(fā)布會(huì )已不再必要，除非發(fā)現全新的天文現象。二來(lái)，依據主辦方規定，關(guān)于此次新聞發(fā)布會(huì )的報道須在24小時(shí)后才能發(fā)布，也就是北京時(shí)間6月1日23時(shí)之后。
圖2 此前兩次視頻發(fā)布會(huì )是這樣式兒的（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）
為了保證內容不被提前透露，這次發(fā)布會(huì )采用了邀請加入的方式（RSVP），須事先得到組織方的加入指南，才能進(jìn)入電話(huà)會(huì )議中。黑洞來(lái)客團隊以自由撰稿人的身份申請旁聽(tīng)，很快獲得回復和批準。在簡(jiǎn)單的連接和登記之后，我們進(jìn)入了發(fā)布會(huì )“大廳”。
麻省理工學(xué)院教授大衛·舒梅克是新當選的LIGO發(fā)言人，他首先宣布advanced LIGO（簡(jiǎn)稱(chēng)aLIGO，原來(lái)激光干涉引力波天文臺的升級版）發(fā)現了來(lái)自?xún)蓚€(gè)黑洞合并的新引力波源GW170104，以及本次新發(fā)現引力波事件的基本特征。
相比之前的LIGO，改進(jìn)后的aLIGO靈敏度更高，探測范圍更遠。它于2015年9月開(kāi)始正式運行，在2016年年初結束了第一期的運行。在此期間，它探測并確認了我們之前熟知的兩個(gè)引力波事件——GW150914和GW151226。經(jīng)過(guò)了短暫的修整和調試，aLIGO從去年11月30日開(kāi)始第二次運行，預計今年8月份結束。在第二次運行過(guò)程中，aLIGO發(fā)現了此次公布的GW170104事件。此時(shí)距離上一個(gè)引力波確認事件，已過(guò)去了一年時(shí)間。
相隔時(shí)間看似漫長(cháng)，但從LIGO官方主頁(yè)我們可以看出，aLIGO在此次運行過(guò)程中已探測到了6例引力波新事件(http://www.ligo.org/news/index.php#O2May2017update)，平均每月一次，只不過(guò)其它更多數據還在分析和驗證中。
二、一場(chǎng)用時(shí)0.1秒的大事件
黑洞看似神秘，實(shí)為宇宙間最為簡(jiǎn)單的一類(lèi)天體，通常我們只需三個(gè)量（質(zhì)量、自轉和電荷）就可以描述一個(gè)理論上的黑洞，物理學(xué)家把這稱(chēng)為“三毛定理”（或“無(wú)毛定理”）。對于宇宙當中真實(shí)存在的黑洞而言，描述就更為簡(jiǎn)單，只需要質(zhì)量和自轉兩個(gè)量。（因為黑洞周?chē)ǔ４嬖谥?zhù)自由電荷，即使黑洞本來(lái)帶電荷，也很容易達到中性。）科學(xué)家們通過(guò)引力波測量黑洞的質(zhì)量和自轉，有著(zhù)非常大的優(yōu)勢。一旦測量到了引力波，通過(guò)波形比對，我們就可以知道黑洞合并前后的這些物理量的大小了。
圖3：觀(guān)測到的引力波頻率演化圖和形變演化圖
通過(guò)比對此次觀(guān)測的波形和不同參數模型，LIGO的科學(xué)家們得出結論：此次發(fā)現的引力波事件和之前的兩例類(lèi)似，也是來(lái)自于兩個(gè)黑洞的合并。在合并之前，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為31.2和19.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，合并后產(chǎn)生了一個(gè)48.7太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。黑洞合并的一瞬間，以引力波的形式釋放出了近2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，那一刻所產(chǎn)生的能量要比整個(gè)宇宙中所有恒星釋放出來(lái)的能量之和多幾十倍。這次氣勢恢弘的黑洞合并被LIGO在兩個(gè)不同地方的探測器（分別位于Hanford和Livingston）同時(shí)觀(guān)測到了，Hanford早探測到了3毫秒。整個(gè)信號過(guò)程只持續了短短的0.1秒。
這場(chǎng)合并發(fā)生在距離我們30億光年的地方。自事件發(fā)生起，經(jīng)過(guò)了宇宙間30億年的傳播，才最終抵達我們的地球。LIGO之前探測到的兩個(gè)事件，分別位于13億和14億光年之外。這也說(shuō)明了aLIGO運行狀態(tài)良好，甚至可以說(shuō)是超常發(fā)揮了。因為按照之前的估計，aLIGO應該最遠可探測到23億光年之外由兩個(gè)30太陽(yáng)質(zhì)量黑洞合并的信號，而這次的30億光年遠遠超出了科學(xué)家們的預估。
三、一塊認識黑洞的重要拼圖
相較于之前兩次熱鬧的引力波事件，這次發(fā)現有什么重大意義嗎？對科學(xué)家來(lái)說(shuō)，意義不小。
如果你還記得的話(huà)，之前的兩次黑洞合并，最后形成的黑洞的質(zhì)量分別62（第一次）和21（第二次）個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。在LIGO探測到黑洞之前，單純從理論的角度計算，宇宙中很難產(chǎn)生高于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。即便是從觀(guān)測角度看，我們在電磁波段看到的最大質(zhì)量黑洞也只有15個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，所以人們通常認為，更高質(zhì)量黑洞在宇宙中是不存在的。 然而，LIGO給了我們一個(gè)驚喜！更大質(zhì)量的黑洞的的確確存在于我們的宇宙之中。在這次探測中，人類(lèi)又發(fā)現了49個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，進(jìn)一步確認了更高質(zhì)量黑洞的存在，擴大了我們對于黑洞的認知。
圖4：引力波探測到的黑洞（藍色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。新探測的黑洞系統GW170104用綠色標出。
此外，借助此次引力波事件，科學(xué)家們也對黑洞的自轉做出了限制。在天文學(xué)中，我們通常使用一個(gè)介于0-1之間的數值，來(lái)表示黑洞轉動(dòng)的快慢。數值0意味著(zhù)沒(méi)有任何轉動(dòng)，1對應著(zhù)黑洞視界面上的轉動(dòng)速度為光速。限于數據質(zhì)量的精度（誤差較大），科學(xué)家們目前僅對合并后的黑洞轉動(dòng)快慢做出了限制，數值約為0.64，即黑洞視界面的轉動(dòng)速度約為光速的一半。
盡管對于合并之前黑洞的轉動(dòng)未做出很好的限制，但通過(guò)模型比對，我們至少可以知道，兩個(gè)黑洞都存在著(zhù)所謂“進(jìn)動(dòng)現象”（precession），也就是說(shuō)，黑洞自身轉動(dòng)方向和兩個(gè)黑洞繞轉的軌道平面并不完全一致，存在著(zhù)一定夾角。我們最為熟悉的“進(jìn)動(dòng)現象”，莫過(guò)于小時(shí)候玩過(guò)的陀螺——陀螺飛旋，除了自身的轉動(dòng)之外，還會(huì )圍繞一個(gè)大圈進(jìn)行繞轉，這種自傳物的自轉軸又繞著(zhù)另一軸旋轉的現象，便是進(jìn)動(dòng)了。
這一大事件還幫助科學(xué)家對雙黑洞系統的形成機制做出了限制。目前有兩種不同的理論，用以解釋雙黑洞的形成：其一是原生雙星系統，即兩個(gè)大質(zhì)量恒星誕生之初就在一起，之后一同演化到老，最終形成雙黑洞系統；根據觀(guān)測估計的話(huà)，銀河系中有一半恒星處于雙星系統當中，所以這種形成機制還是很有可能的。另外一種形成機制是雙黑洞形成于星團當中，最初的系統本來(lái)是一個(gè)黑洞和一個(gè)正常恒星，當該系統碰到另一黑洞時(shí)就會(huì )形成三體系統，恒星質(zhì)量通常比黑洞小很多，所以恒星會(huì )被大質(zhì)量的黑洞替換掉踢出系統，從而由原來(lái)的單黑洞系統變?yōu)殡p黑洞系統。因為星團中心通常比較致密，這種可能性也很大，無(wú)論是從理論還是數值模擬，都已證明了這一現象的發(fā)生。
那么，到底哪一種雙黑洞系統的產(chǎn)生機制更靠譜呢？按理論預計，原生雙星系統誕生于同一片星云，兩個(gè)黑洞的有效旋轉方向和軌道運動(dòng)方向通常是一致的。對于第二種交換方式而言，兩個(gè)黑洞的旋轉方向無(wú)需一致，可以指向任何方向，從而導致兩黑洞整體的有效旋轉方向和軌道運動(dòng)方向不一定一致。此次引力波觀(guān)測擬合結果由此投出了重要一票：兩黑洞的有效旋轉方向和系統軌道運動(dòng)方向不一致，傾向于是通過(guò)交換方式產(chǎn)生了雙黑洞系統。
四、一條引力波研究的漫漫長(cháng)路
驚喜不少，遺憾也還是有的。
因為實(shí)在太過(guò)遙遠，我們看不到黑洞合并所在的星團，甚至連引力波所在的星系都沒(méi)看到。主要原因在于目前引力波的定位還是很差，畢竟幾百平方度的范圍之內包含著(zhù)多達幾十萬(wàn)個(gè)星系。今年秋天，歐洲的Virgo探測器將一起加入觀(guān)測，我們到時(shí)就有了三個(gè)探測器，觀(guān)測的空間精度將會(huì )大大提高。
當然，最理想的情況是引力波源能有對應的電磁波輻射，我們就能夠同時(shí)進(jìn)行多信使（比如，X射線(xiàn)或者光學(xué)）的觀(guān)測，從而精確確定其發(fā)生的空間位置。LIGO每次探測到引力波事件，都會(huì )及時(shí)將相關(guān)信息發(fā)送給合作伙伴，到目前為止，還沒(méi)有觀(guān)測到任何電磁對應體。黑洞系統在合并之前已不存在什么氣體，所以不會(huì )產(chǎn)生任何電磁輻射，三次探測結果也向我們證明了這一點(diǎn)。
但我們還有機會(huì )。并非所有人類(lèi)能夠探測到的引力波都來(lái)自沒(méi)有任何其它輻射的黑洞合并。雙中子星合并、中子星與黑洞合并，以及超新星爆發(fā)等等，都會(huì )在產(chǎn)生引力波的同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射。只不過(guò)受限于靈敏度，我們還沒(méi)觀(guān)測到而已?？梢源_定的是，接下來(lái)隨著(zhù)探測能力的提高和更多引力波望遠鏡的建立，我們肯定會(huì )看到來(lái)自其它天體的引力波以及他們的對應體。
眼下，美國和歐洲的引力波天文臺正主導著(zhù)引力波的觀(guān)測工作，隨著(zhù)LIGO探測的推進(jìn)，中國的引力波研究也隨之進(jìn)入了一股前所未有的熱潮。在理論研究的同時(shí)，中國也在積極推動(dòng)直接探測引力波的望遠鏡項目。目前，太極計劃和天琴計劃這兩個(gè)空間項目正各自推進(jìn)，將于地面探測原初引力波的阿里計劃已通過(guò)立項，并開(kāi)始建設。除此之外，中國還準備利用剛剛建好的500米射電望遠鏡（FAST）和正在建設的平方公里陣（SKA），以脈沖星計時(shí)陣的方式探測引力波。
引力波漫漫其修遠兮。在5月31日晚的發(fā)布會(huì )上，有聽(tīng)眾向科學(xué)家提出了這樣的問(wèn)題：你期待10年之后LIGO或引力波天文學(xué)能做出什么新發(fā)現呢？大衛·舒梅克回答道：“我期望著(zhù)能有完全意想不到的、完全超出我們的想象事件的發(fā)生?！庇钪婢褪沁@么奇妙，引力波已經(jīng)向我們證明了這一點(diǎn)，還將繼續證明給我們看。（感謝辛玲女士提供相關(guān)信息）
來(lái)源：NASA中文
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