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出品：科普中國制作：國家天文臺黑洞來客團(tuán)隊(duì) 茍利軍 黃月監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心2016年的2月11日，中國農(nóng)歷新年剛剛開始，遙遠(yuǎn)大洋的彼岸傳來一個(gè)令人振奮的消息，等待了一個(gè)世紀(jì)的引力波首次被美國的激光引力波干涉儀（LIGO）直接探測到了。今天，在等待了4個(gè)月之后，人們再一次迎來了LIGO科學(xué)組織（LSC）召開的第二次新聞發(fā)布會(huì)，對LIGO的最新觀測結(jié)果進(jìn)行了宣布。盡管似乎缺少了一絲的興奮感，但是發(fā)布會(huì)依舊讓我們充滿了期待，因?yàn)長IGO現(xiàn)在的每一次發(fā)現(xiàn)都是全新的。 這次所發(fā)布的內(nèi)容可以簡單歸納為如下三點(diǎn)：（1）此次的兩個(gè)引力波信號又都是來自于雙黑洞的合并：一個(gè)確認(rèn)信號，另外一個(gè)疑似信號。（2）此次的信號依舊是美國的aLIGO探測到的。但是VIRGO引力波探測器升級即將完成，今年秋季就開始和LIGO進(jìn)行聯(lián)合觀測。（3）引力波和多信使（多個(gè)信息渠道，比如電磁波，引力波，中微子等；multi-messenger）天文學(xué)已被開啟。或拿諾獎(jiǎng)？獎(jiǎng)項(xiàng)已經(jīng)拿到手軟眾所周知，2月份的引力波被公布之后，引力波作為一種全新的探測宇宙的方式，即將為我們掀起宇宙的新的一面。所以它因此也在全球掀起了知識傳播的巨浪，不僅僅是科學(xué)界，幾乎是社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。在很短的時(shí)間，引力波成為了網(wǎng)紅的代名詞。本來默默無聞的學(xué)科，也在極短的時(shí)間之內(nèi)變的異常火熱。而作為建立LIGO的三位奠基人，羅奈爾特·德雷弗(Ronald W P Drever)，基普·索恩(Kip S Thorne)，雷納·韋斯 (Rainer Weiss)，也因此而成為諾獎(jiǎng)的最熱門人選。到目前為止，三位創(chuàng)立者已經(jīng)獲得了幾乎物理天文界的所有大獎(jiǎng)，總共370萬美金，包括基礎(chǔ)物理科學(xué)突破獎(jiǎng)特別獎(jiǎng)（the Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics；總共300萬美金獎(jiǎng)金，其中100萬給三位創(chuàng)建人，200萬給1012位LIGO科學(xué)家），格魯伯宇宙學(xué)大獎(jiǎng) （50萬美金），“東方諾貝爾獎(jiǎng)”美稱的邵逸夫獎(jiǎng)（120萬美金），卡弗里獎(jiǎng)（Kavli Prizes；100萬美金）。而這些獎(jiǎng)項(xiàng)頒發(fā)的原因差不多都是因?yàn)椤安恍缸非罄靡Σ▉碛^察宇宙的視角，導(dǎo)致了引力波的直接探測”。接下來最讓人們期盼的應(yīng)該就是有著“炸藥獎(jiǎng)”俗稱的諾貝爾獎(jiǎng)了。盡管諾獎(jiǎng)沒有特定的評審標(biāo)準(zhǔn)，但肯定是需要對人類社會(huì)進(jìn)步有著巨大的影響。正如我們已經(jīng)看到，并且可以預(yù)見到的，引力波將開啟一個(gè)前所未有的偉大時(shí)代，上一次的發(fā)現(xiàn)暫且存疑的話，再一次的發(fā)現(xiàn)在很大程度上消除了大家的疑慮， 也讓我們更加確信和意識到只要設(shè)備足夠靈敏，就可以常態(tài)化地探測到來自星辰大海的聲音，看到宇宙中難以被察覺的一面。 在目前看來，幾乎是沒有其它的發(fā)現(xiàn)或者物理技術(shù)可以和引力波的深遠(yuǎn)意義相比肩，而此次新的事例的發(fā)布更是讓我們相信引力波獲會(huì)在今年的秋季毫無懸念地獲得諾獎(jiǎng)。相信這幾位為諾獎(jiǎng)都已準(zhǔn)備好了。諾獎(jiǎng)，來吧！又是黑吃黑？ 左：已知質(zhì)量的黑洞和電磁研究的黑洞質(zhì)量比；右：三本樣本在時(shí)域中的比較（LIGO新聞發(fā)布會(huì)）既然這次的引力波又是“黑吃黑”的火拼，那和之前有什么不同嗎？在比較之前，讓我們先看看這次發(fā)現(xiàn)的一些數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。這次的引力波源GW151226是在2015年12月26日（UTC時(shí)間）被觀測到的，也就是西方的圣誕節(jié)期間，所以也是被稱之為圣誕老人送來的禮物。這個(gè)雙黑洞系統(tǒng)中，黑洞的質(zhì)量分別為大約為14個(gè)太陽質(zhì)量和8個(gè)太陽質(zhì)量。aLIGO測量到了黑洞大約30圈的繞轉(zhuǎn)，最后合并成為21個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，1個(gè)太陽質(zhì)量以引力波的形式釋放了出去。整個(gè)信號過程持續(xù)了大約1秒。合并以后的黑洞自旋大約是0.74（自旋是角動(dòng)量的無單位物理量，在0到1之間變化，0代表沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，1代表了轉(zhuǎn)動(dòng)最快）。當(dāng)然距離黑洞天體的距離也得到了測量，大約是離我們14億光年。最后還有很重要的一點(diǎn)是，這次信號的信噪比依舊很高（S/N=13），對應(yīng)的置信度超過了5.3σ, 超過了物理學(xué)定義“發(fā)現(xiàn)”的黃金標(biāo)準(zhǔn)5σ的要求。所以也算是一次真正意義上的探測。相比較第一次的引力波源GW150924系統(tǒng)，上次的黑洞質(zhì)量分別為29和36個(gè)太陽質(zhì)量，合并之后的太陽質(zhì)量大約為62個(gè)太陽質(zhì)量，3個(gè)太陽質(zhì)量被以引力能的形式釋放出去。合并以后黑洞的自旋大約0.68。黑洞系統(tǒng)的距離大約是13億光年。除過之上的確認(rèn)系統(tǒng)之外，還有一個(gè)疑似系統(tǒng) LVT151012，因?yàn)樗闹眯哦戎挥写蠹s1.7sigma，所以很難判斷是不是真正的信號。但是如果是真，那么它的黑洞質(zhì)量將分別是23和13太陽質(zhì)量，最后合并之后的質(zhì)量是35個(gè)太陽質(zhì)量，釋放出1個(gè)太陽質(zhì)量的引力波。合并以后黑洞的自旋大約是0.66。距離大約是32億光年。簡單對比，我們可以看到兩次確認(rèn)系統(tǒng)的距離都非常的接近，但是質(zhì)量確實(shí)差別很大。幾乎包含了各個(gè)質(zhì)量范圍的黑洞。不過讓我們很興奮的是，在這次的發(fā)現(xiàn)中，合并之前的黑洞質(zhì)量和我們在銀河系中所看到的黑洞差不多。這從側(cè)面告訴我們黑洞雙星系統(tǒng)在我們宇宙中存在的普遍性。而這之前是從來沒有被探測到的。同時(shí)也說明只要是探測器的靈敏度足夠高，我們就可以探測到來自這些系統(tǒng)的引力波信號。按照LIGO負(fù)責(zé)人在此新聞發(fā)布會(huì)中的說法，LIGO探測器目前只達(dá)到了計(jì)劃靈敏度的40%，而在今年秋天的第二次科學(xué)運(yùn)行之時(shí)，靈敏度將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提高15%到25%。所以到時(shí)LIGO將會(huì)看地更遠(yuǎn)，探測到更多的事件。另外一個(gè)好消息是到時(shí)VIRGO也會(huì)同時(shí)運(yùn)行。VIRGO的性能和目前aLIGO相當(dāng)，所以三個(gè)探測器聯(lián)合觀測，引力波源位置的精確度將會(huì)極大提高。 LIGO位置探測精確（左）；LIGO和VIRGO的聯(lián)合探測精度（右）。（LIGO新聞發(fā)布會(huì)）神奇的自旋門檻0.7？當(dāng)筆者注意到這三個(gè)系統(tǒng)的自旋值大約都在0.7的時(shí)候，產(chǎn)生了極端的好奇感。難道0.7是個(gè)神奇的數(shù)字，這難道是合并黑洞跨越不過去的門檻？對于筆者領(lǐng)導(dǎo)的黑洞團(tuán)組而言，通過電磁方式，專門從事黑洞性質(zhì)的測量，尤其是利用X射線的數(shù)據(jù)對黑洞的自旋做出測量。從目前測量得到的10多個(gè)黑洞黑洞自旋數(shù)據(jù)來看，單個(gè)黑洞的自旋值隨機(jī)的分布在0（沒有轉(zhuǎn)動(dòng)）到1（極端轉(zhuǎn)動(dòng)）之間。這似乎沒有規(guī)律。而這些系統(tǒng)也和引力波所發(fā)現(xiàn)的雙黑洞系統(tǒng)有差別，盡管都是雙星系統(tǒng)，電磁方式研究的系統(tǒng)中，其中一個(gè)是黑洞，另外一個(gè)是正常的恒星。對這些電磁系統(tǒng)黑洞的進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很有趣的現(xiàn)象。如果雙星系統(tǒng)中恒星的質(zhì)量比較大的時(shí)候（只要不比太陽質(zhì)量低），黑洞的自轉(zhuǎn)都很快，大約至少在0.8之上或者接近于最大值。對于目前引力波探測到的雙黑洞系統(tǒng)，那么可以想象它們的前身星質(zhì)量都很大（通常要形成黑洞的話至少要25個(gè)太陽質(zhì)量）。所以我們可以想象它們各自在最后形成黑洞的時(shí)候，各自的自旋也都很大（這的確有很大猜測的成分在里面，但是很遺憾的是，現(xiàn)有的引力波探測結(jié)果對于合并之前的自旋值很難限制）。盡管每個(gè)黑洞的自旋都有可能很大，那么怎么合并之后黑洞的自旋就會(huì)有這樣的限制呢？如果沒有相對論數(shù)值計(jì)算結(jié)果的幫助，的確我們沒有辦法回答。所幸的是，相對論數(shù)值計(jì)算在過去幾年的快速發(fā)展，讓我們對此問題有了比較清楚的認(rèn)識。在對雙黑洞質(zhì)量和自旋參數(shù)空間進(jìn)行搜尋計(jì)算之后，發(fā)現(xiàn)即使黑洞的自旋達(dá)到極大值的時(shí)候，在兩個(gè)黑洞合并的過程當(dāng)中，最終的自旋最大值就在0.7附近。這可以說是一個(gè)后驗(yàn)的結(jié)果。簡單的解釋是，當(dāng)黑洞的自旋值相對比較低的時(shí)候，黑洞會(huì)相對比較容易合并，最終產(chǎn)生的自旋也有可能并不是特別高。但是如果兩個(gè)黑洞的自旋都是很大的時(shí)候，它們就會(huì)經(jīng)歷一個(gè)所謂的自旋持續(xù)（spin hangup）的過程，兩個(gè)黑洞很難合并，在這持續(xù)的過程當(dāng)中，大量的能量以引力波的形式輻射出去，當(dāng)整體能量降到一定程度的時(shí)候，黑洞合并了，這是就是我們看到的所謂黑洞自旋門檻值，大約0.7。我們可以大膽的猜測，說不定雙黑洞系統(tǒng)最后的自旋都差不多在這個(gè)最大值附近。恒星級黑洞的天文學(xué)研究現(xiàn)狀黑洞通常被認(rèn)為恒星生命的終點(diǎn)，它是我們宇宙間最為神秘的天體之一。記得在星際穿越的電影當(dāng)中，黑洞的中心存在著一個(gè)可以看到過去未來的超立方體。這或許僅僅是導(dǎo)演諾蘭的一個(gè)美好想象而已。不過在現(xiàn)實(shí)的世界中，物理學(xué)家霍金反復(fù)在說，黑洞的中心是通往另外一個(gè)宇宙和時(shí)空的入口。著是否是真的，我們目前還無法驗(yàn)證。因?yàn)楹诙磧?nèi)部的無法探測，所以對于黑洞的最深入研究還僅僅停留在黑洞的外部。在黑洞的研究當(dāng)中，我們通常用三個(gè)量來定義一個(gè)黑洞，它們分別是：質(zhì)量，自旋，和電荷。時(shí)常也稱之為三毛定律。也就意味著我們只要知道了這三個(gè)量，我們就可以將不同的黑洞區(qū)分開來。對于天文中的黑洞而言，電荷很容易被電中性，所以只有了質(zhì)量和角動(dòng)量，更為簡單一些。所以黑洞時(shí)常被稱之為宇宙間性質(zhì)最為簡單的天體。對于物理學(xué)家或者天文學(xué)家而言，最終的目的就是測量黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量。 在引力波被探測到之前，人類一直是利用傳統(tǒng)的電磁方式來發(fā)現(xiàn)和研究黑洞。從400多年前利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡開始探索我們的宇宙開始，在上個(gè)世紀(jì)又發(fā)現(xiàn)了光學(xué)之外的其它電磁方式（射電，X射線等），宇宙探索的步伐在不斷加快。自從第一個(gè)黑洞候選體天鵝座X-1在60年代初被發(fā)現(xiàn)，到目前為止，差不多已經(jīng)半個(gè)世紀(jì)過去，但是我們發(fā)現(xiàn)并且確認(rèn)的恒星級黑洞并不是特別多，總共只有二十多個(gè)，而且?guī)缀踅^大多數(shù)都是位于我們的銀河系當(dāng)中。根據(jù)觀測和理論的聯(lián)合估計(jì)，僅僅在我們這個(gè)銀河系當(dāng)中，恒星量級的黑洞的數(shù)目就至少有在1000萬個(gè)以上，因?yàn)楹诙幢旧頉]有任何的電磁輻射（霍金輻射忽略不計(jì)），所以造成了黑洞觀測的困難性。只有在黑洞周圍吸積盤產(chǎn)生比較明亮的輻射，或者黑洞產(chǎn)生非常強(qiáng)的噴流輻射的時(shí)候我們才能夠間接地探測到可能黑洞的存在。之后通過進(jìn)一步的光學(xué)觀測，和通過大量的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，我們才有可能測量到中心天體的質(zhì)量，從而最終確定中心天體是否是黑洞（如果遠(yuǎn)大于三個(gè)太陽質(zhì)量，我們就可以確定的說是黑洞）。所以可以想象這其中的過程是非常的漫長和復(fù)雜。對于黑洞角動(dòng)量的測量，又需要利用其他的波段（比如X波段）和獨(dú)立的方式去測量。還有一個(gè)非常重要的一點(diǎn)是，盡管目前確認(rèn)了很多黑洞，但是還有一個(gè)非常重要的一點(diǎn)，我們還不能百分之百的確認(rèn)那就是黑洞，只有我們真正地探測到了理論當(dāng)中黑洞的視界面的時(shí)候，才可以確認(rèn)那就是黑洞。現(xiàn)有的電磁方式還有達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。不過已經(jīng)在這個(gè)有人在朝著這個(gè)方向努力。麻省理工學(xué)院和一些其他大學(xué)的科學(xué)家們開啟了一項(xiàng)叫做“視界望遠(yuǎn)鏡（event horizon telescope）”的項(xiàng)目，利用分布在全球的亞毫米望遠(yuǎn)鏡，達(dá)到基線10000公里，對黑洞的視界面直接成像，得到所謂的“黑洞影子”，從而最終確認(rèn)黑洞在宇宙當(dāng)中的存在。估計(jì)在2017年就可以得到第一批有關(guān)我們銀河系中心超大質(zhì)量黑洞視界的圖像。引力波和多信使的研究時(shí)代來臨在電磁波的時(shí)代，最簡單的天體的研究也是非常耗時(shí)和復(fù)雜的。然而隨著引力波的探測的揭幕，黑洞的研究似乎變得異常簡單。首先引力波第一次直接真正地驗(yàn)證了黑洞的存在。因?yàn)楹喜⒅畷r(shí)和之后，引力波的產(chǎn)生是黑洞視界面變化的效果，所以這直接驗(yàn)證了黑洞在宇宙當(dāng)中的存在。引力波同時(shí)也讓黑洞基本性質(zhì)的研究變得更為簡便和有效。盡管引力波的探測和數(shù)據(jù)處理是非常的復(fù)雜，但是一旦引力波信號被合理的提取之后，通過一次的引力波探測，我們就可以知道有關(guān)黑洞的所有信息，質(zhì)量和自旋。從這個(gè)意義上來講，引力波將極大的加速我們對于黑洞的研究和認(rèn)識。 對于黑洞系統(tǒng)而言，正如發(fā)言人所說，我們并不期待黑洞系統(tǒng)的合并能夠產(chǎn)生相對應(yīng)的電磁輻射，所以引力波有可能是探測黑洞系統(tǒng)的最為有效的方式。但同時(shí)我們也知道，宇宙間有著很多其它的天體也能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力波，比如雙中子星合并。對于這些天體，我們就可以利用多信使的方式進(jìn)行研究。多信使意味著利用不同的手段，比如可以利用引力波，電磁波（各個(gè)波段，從伽馬光子一直射電），中微子等方式同時(shí)對這些系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而得到一個(gè)整體的圖像和理解。從之前的介紹知道，我們目前在電磁波段僅僅確認(rèn)了數(shù)目極少的黑洞，剩余的絕大多數(shù)的黑洞在哪里？我們現(xiàn)在還不知道。或許是孤寂的存在于星系中，或許是和恒星在一起，只是不夠明亮，沒有被我們發(fā)現(xiàn)。或許也是以雙黑洞的形式從在。多信使的手段或許能夠告訴我們答案。多信使的研究手段或許在宇宙學(xué)方面做出一些貢獻(xiàn)。比如引力波可以直接測得系統(tǒng)的距離，而電磁方式的光譜如果能夠給出紅移，在我們獲知一些這樣的系統(tǒng)之后，那么我們就可以對宇宙的膨脹速度（也就是著名的哈勃常數(shù)）做出校準(zhǔn)，從而間接的對宇宙的神秘物質(zhì)暗能量也提供限制。中國引力波研究現(xiàn)狀在引力波被宣布正式探測之前，引力波研究可以說是一個(gè)不溫不火的研究狀態(tài)。但是隨著LIGO探測的發(fā)現(xiàn)。中國的引力波研究也隨之進(jìn)入一股前所未有的熱潮。在理論研究的同時(shí)，中國也在積極地推動(dòng)直接探測引力波的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。目前，兩個(gè)空間項(xiàng)目（太極計(jì)劃和天琴計(jì)劃）正在努力各自推進(jìn)，而地面探測原初引力波的阿里計(jì)劃也在積極籌備，估計(jì)不久將會(huì)開始建設(shè)。除此之外，還有準(zhǔn)備利用即將建好的五百米射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)和正在建設(shè)的平方公里陣（SKA），用脈沖星計(jì)時(shí)陣的方式來探測引力波。而且這些中國未來的項(xiàng)目中也存在著一些極具影響力的機(jī)會(huì)。多信使方式是科研的未來。中國的一些設(shè)備也加入了和LIGO科學(xué)組織進(jìn)行聯(lián)合觀測的合作當(dāng)中。目前目前已經(jīng)和幾十和望遠(yuǎn)鏡簽訂了合作關(guān)系，準(zhǔn)備一旦有引力波事件，這些相對應(yīng)的望遠(yuǎn)鏡就可以在對應(yīng)的方向上對電磁對應(yīng)體進(jìn)行搜尋。國家天文臺作為中國最大的天文研究機(jī)構(gòu)，具有快速反應(yīng)和大視場的地面光學(xué)系統(tǒng)GWAC已經(jīng)加入其中，以及2020年有可能發(fā)射的愛因斯坦探針X射線衛(wèi)星也在其中。盡管中國起步晚了，但是在這剛剛開始拓荒的領(lǐng)域，相信隨著我們的努力和堅(jiān)持，我們會(huì)在這個(gè)廣袤的宇宙中開墾出一片天地。 “科普中國”是中國科協(xié)攜同社會(huì)各方利用信息化手段開展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。本文由科普中國融合創(chuàng)作出品，轉(zhuǎn)載請注明出處。