[科普中国]-引力波，带人类倾听星辰大海之声

编者按： 在一波又一波传言后，终于！北京时间2016年2月11日23:40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，人类首次发现了引力波。 发布会上究竟揭开了哪些谜团？与之前的传言有何不同吗？ 科普中国移动端科普融合创作项目特邀中国科学院国家天文台黑洞来客团队（团队主要成员苟利军研究员为国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人，而这次被探测到的引力波正是来自双黑洞系统），全面解读这场激动人心的发布会。

一波又一波的引力波传言终于在北京时间11日晚上的美国自然基金会的新闻发布会中尘埃落定：人类首次直接探测到了引力波，这是真的！正如发布会所言，在被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后，首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到，这是一个值得纪念的伟大时刻，一个新时代的序幕正在拉开——地球人，欢迎你来到引力波时代！

激动人心的发布会结束了，其重点内容可以被简单归纳为三点： （1）引力波终于被探测到了。 （2）引力波产生于两个恒星量级黑洞的合并(merger)。 （3）引力波是美国的激光干涉引力波天文台（英文简称LIGO）发现的。
接下来，让我们逐个分析和解释一下以上三点，从而对这项具有划时代意义的科学发现做一个稍微深入的了解：
（图1注：双黑洞系统想象图。（来源于LIGO网站）） 天外飘来引力波
对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等，引力波也是波的一种。
既然称之为引力波，它必然与引力有关。所以，在更深一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法，引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。这就意味着，我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。
人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。
在引力的世界中，我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为 GW150914。

（图2注：LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线，下面是和理论相比较之后的拟合结果。（来源于LIGO所发文章））

两个黑洞的“火并”
此次发布会的另外一个亮点就是双黑洞。这也是人们首次直接发现双黑洞，这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞，生活中时不时的会听到某某黑洞爆发了，某某黑洞吞吃恒星了等等。但是这此发现却有些不同，两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼，甚至有点儿像港片里熟悉的火爆场面。黑洞合并产生了非常强烈的时空振荡，所以我们遥远的地球才观测到了。
黑洞通常认为是大质量（超过25个太阳质量，请注意这是前身星的质量）的恒星在其演化的最终阶段，恒星中心会形成我们了解的恒星级黑洞。它们的质量通常预计在3个太阳质量到100个太阳质量之间。因为黑洞本身没有任何的辐射（不考虑量子效应下的霍金辐射，它的电磁辐射也是异常微弱），所以我们不能直接看到黑洞。我们的银河系或者其他类似的星系当中当中，每个星系都预计存在着上千万个恒星级黑洞，但是绝大多数的黑洞都是孤独存在的天体，如同幽灵般，没有任何辐射或者辐射及其微弱，所以很难被看到。
所幸，有的黑洞处于双星系统当中，就像发布会中提及的系统，而且另外一个天体是正常的恒星（也称之为伴星）。在这种情形之下，黑洞会从正常恒星上吸积气体，在其周围产生一个吸积盘，以至于某些时候吸积气体的量过多，不能被黑洞直接吞掉，这时还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去，从而产生非常壮观的喷流。正是因为吸积盘和喷流的存在，他们都能够产生我们非常熟知的电磁辐射（也就是有我们熟知的光子产生），从而我们利用传统的探测方式，比如地面或者太空的望远镜，就可以间接地探测黑洞的存在。
大约在50年前，人类就是利用此方法发现了第一个黑洞候选体，天鹅座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年，地球上两颗聪明的大脑、理论物理学家霍金和好朋友基普•索恩就这个候选体是不是黑洞而打了个赌，他们以一年的成人杂志《阁楼》作为赌注。后来的观测是利用天鹅座X-1中的伴星运动测得了黑洞质量，大约为15个太阳质量，从而霍金认输并且在两人的赌书上签名按上了自己的手印。基普•索恩从那时起就赢了。
对于双黑洞系统，他们几乎不会产生能够为传统方式所观测到的光子。所以，即使它们存在，仅凭借传统的观测方式，我们也无法发现他们。况且，很多的人都怀疑它的存在。但是，在双黑洞绕转，尤其是合并之时，会产生很强的引力波。只要引力波探测器足够灵敏，我们就可以发现它们的踪影。面对大家的怀疑，LIGO的发现用事实证明了它的存在。而此次发现引力波的天文台的创建人之一就是基普•索恩——索恩教授又一次赢了！

引力波为黑洞做名片
在观测到了完整的引力波形之后，利用一种叫做匹配滤波（waveform matching）的方法，理论上就可以推断出系统的性质信息，包括合并之前和之后。比如，对于双黑洞系统，可以推断出合并之前的黑洞质量，自旋和轨道，以及合并之后的质量和自旋。此次新闻发布会中所提及的引力波事件，就得到黑洞的质量在合并之前是26个和39个太阳质量，合并之后是62个太阳质量（合并之前的两个黑洞自旋参数值限制的并不是很好），合并后黑洞是一个克尔黑洞，其自旋参数值为0.67。

你或许会有疑问，合并之后怎么少了3个太阳质量，它跑到什么地方去了？引力波也是携带能量的，在黑洞合并之时，它的形状非常不对称，不是我们看到的单个黑洞的球形，所以在振荡恢复的过程当中，一部分质量就通过引力波的方式辐射出去，从而为我们所接收。合并的时间非常之短，仅仅在大约0.05秒的时间，就将3个太阳质量（大约6.0E30公斤）的能量就通过引力波的方式释放出去，也就是说在一秒钟可以释放出大约10^32公斤的能量。相比较之下，我们的整个宇宙包含了大约1.0E22个太阳，而每个太阳每秒钟向外辐射大约4.0E9公斤的物质能量，所以黑洞合并的最后释放出比整个宇宙每秒钟辐射出的电磁总能量还要高出3倍。
（图3注：双黑洞系统在不同阶段所产生波形随时间演化图。双黑洞系统的演化包括三个阶段：旋近(inspiral), 合并（merger）和铃振（ring down）阶段。（来源于LIGO所发文章））

我们注意到，合并前黑洞的质量为26个和39个太阳质量——这两个质量都比目前已知的恒星级黑洞要重许多。我们现在已经确认了大约20多个恒星级黑洞，最重的恒星级黑洞位于M33 X-7系统中，为16个太阳质量。而其它所有确定的黑洞质量均比这个小，大多数是七八个太阳质量左右。尽管理论之前预言了更大质量的黑洞的存在，但是之前从来还没有发现过，所以此次发现更大质量黑洞，对于黑洞的形成渠道也有着重要影响。
我们所看到的所有恒星，都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言，它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转，天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示，它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值（也叫“极端克尔黑洞”）。对于此次观测中合并以后的黑洞，它的自旋参数为0.67。如果我们以转速来描述，它在以每秒钟100转的速率转动。相较而言，我们刚才提到的人类第一个黑洞“天鹅座X-1”， 它是一个极端克尔黑洞，差不多在以超过1000转每秒的速率转动。
如果你觉得转速依旧很难理解，那我们可以想象一下《星际穿越》电影的一个情节，主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时，但是后来却发现飞船上已经过了23年，时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差，其中条件就行星极度靠近黑洞的同时，黑洞也以最大速度转动。按照相对论理论所言，这样行星上的时间就会被极大的拉长。天鹅座黑洞的转速就具有类似于电影中卡刚都亚黑洞那样的转速。对于此次引力波探测到黑洞而言，即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在，那么对于它的时间也会流逝的很慢，不过不会有6万倍那么大的差别，最多也就2倍左右。
对于黑洞而言，有着非常著名的无毛定理，也就是说黑洞只需要简单的几个量就可以描述。对于宇宙当中的黑洞，只需要我们上面所说的质量和自旋参数就可以完整的描述。当我们知道了黑洞的质量和自旋参数一些性质时，我就可以很容易的对黑洞本身的全貌做出一个描绘，就如同给出了一个人的完整自画像。而引力波的方法可以快速给出黑洞的完整信息，这相比较传统的观测方式，更为有效，尽管在观测方面有些困难。
氢原子的百亿分之一
从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久，为什么引力波这么难得一见？主要原因是，相比较其他的几种力（强力，弱力，电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。想当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后，就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形大小来表示，但是结果往往是小的可怜，几乎无法探测到。引力波是时空的自身变形，在一个方向上被拉伸，在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果我们有一天，我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波（变化强度为1.0E-21）所击中的话，理论上来说，我们同样会经历一个稍微变高变瘦，然后变胖变矮一些的过程。实际上，对我们身高不超过2米的人类来说，导致的变化大约为2E-21，为一个氢原子的五百亿分之一（一个氢原子的大小大约为1.0E -10米）。
引力波的效应是如此之小，所以一方面需要增加探测的长度，来增强变化的效应，另外一方面通过巧妙的方法来探测到微小的变化。这也是此次新闻发布会中提到的激光干涉引力波天文台(LIGO)在建造之初所考虑的。它有两个观测点，分别建在美国华盛顿州的列文斯顿和路易斯安那州的汉福德。每个观测点都有两个互相垂直，每条长达4公里的臂。长臂中间是高度真空的管子，而在长臂两端，悬挂着大约直径34厘米、重达40kg的反射镜。LIGO的探测器利用激光干涉技术，不间断地测量每对反射镜之间的距离。每当引力波通过探测器时，人们会探测到两对反射镜之间的距离呈现此消彼长的周期性变化。
即使对于LIGO天文台4公里的长臂，引力波所造成的变化也是极其微小的。对于此次新闻报道中的双黑洞合并，其可能产生的尺度相对变化最高可为1.0E-21，意味着4公里的长度也仅仅只变化了一个氢原子直径的2.5千万分之一。为了达到这个精度，LIGO的科学家做了许多精密的设计，保证探测系统的稳定，保证LIGO反射镜的位置随机涨落小于一个氢原子大小的百亿分之一，从而保证可以相对比较容易的探测到可能的引力波源。
LIGO在1999年建成并且开始运行。但是在进行升级之前（也就是2010年），没有探测到任何确定的引力波事件。从2010年开始，LIGO对探测器进行了第二阶段的升级，2015年6月进行测试运行，2015年9月开始正式运行，第一阶段的科学运行一直持续到2016年1月，升级后的版本被称为Advanced LIGO （简称aLIGO）。而此次新闻发布会的结果其实就是在刚刚升级完之后，由还在进行测试中的的aLIGO所探测到的。相比较之前，aLIGO的探测灵敏度提高了10倍。而且此次的双黑洞所产生的引力波强度就在仅仅比最初LIGO的灵敏度低一些，所以当LIGO的升级刚刚完成，在试运行的阶段就发现了所报道的双黑洞系统。探测到引力波似乎就在本来的预料当中。就像发布会中所言，这或许是大自然给我们苦盼许久的一份礼物。2012年，LIGO天文台创建人基普•索恩在《科学》杂志的一篇评论文章中说，预计在2017年，第一例黑洞合并的事例将会被发现。当时预计LIGO的升级会在2016年底完成，结果是升级进度超前，让我们提前听到了宇宙时空的声音。

（图4注：LIGO和aLIGO灵敏度比较（左）；LIGO和aLIGO探测范围比较(右)。（图片来源于LIGO网站））
谁将撼动时空
那么在我们的星辰大海中，什么样的天体才能够撼动我们的这个宇宙时空，让位于遥远地球上的LIGO探测到呢？现在通常认为有如下四种： （1）旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。比如中子星或者黑洞的双星系统。非常类似于发布会当中的系统。
（2）快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量，它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候选体包括非对称的中子星之类的。在《星际穿越》电影当中，教授说它发现了引力波，而它的其中一个产生机制很可能就是由一个快速转动的中子星，其表面大约2厘米的凸起所产生的（具体分析可以参阅由基普•索恩撰写的星际穿越一书）。
（3）随机的引力波背景。非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射，这一类背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴涨的遗迹。2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波，但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证，对于它的探测依旧在努力寻找之中。
（4）超新星或者伽马射线暴爆发。恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波，将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。
除过LIGO之外，还有意大利的VIRGO引力波探测器，日本的KAGRA探测器以及英国德国的联合GEO-HF探测器。相信在不远的未来，引力波的探测事例会如同春笋般爆发，越来越多。
（图5注：全球引力波天文台分布（来源于LIGO网站）。）
为一窥宇宙初生
毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证，但是对已强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次的观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程，而对于电磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大约300，000之后的宇宙历史，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解我们宇宙形成的最好工具。
如果还记得，在《星际穿越》电影中的结尾之时，主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲，人为的制造引力波效应，成功将信息传递，从而人类得以解救。引力波从目前物理学家的认识来看，是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。
就如同一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。我想我们此刻的心情也是差不多如此。引力波给我们打开了一扇全新的窗口。引力波是一种方式，是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。