引力波：聽聽宇宙的聲音

一波又一波的引力波傳言終于在北京時間2月11日晚上的美國自然基金會的新聞發(fā)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(fā)布會所言，在被預言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測到，一個新時代——引力波時代的序幕正在拉開。

這場意義非凡的發(fā)布會的內容可以被簡單歸納為三點：引力波終于被探測到了；引力波產生于兩個恒星量級黑洞的合并；引力波是美國的激光干涉引力波天文臺（英文簡稱LIGO）發(fā)現(xiàn)的。

天外飄來引力波

對于“波”，我們并不陌生，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，我們不妨了解一下人類對于引力的認識過程。17世紀末的物理學家牛頓看到了下落的蘋果，意識到物體之間普遍存在的一種力，稱之為“引力”，并且將其數學化，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，這在牛頓之后的200多年里被認為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發(fā)表，再到1915年廣義相對論的發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對于引力的看法，引力是因為質量對于時空造成了變形所導致，而非質量之間的吸引。這就意味著，我們的時空可被當做一種可以變形的介質來認識。所以簡單來說，引力波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?！?，如果將時空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般?？梢韵胂?，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于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風暴，這場引力風暴來自于一個雙黑洞系統(tǒng)的合并，以它的探測日期命名為GW150914。

兩個黑洞的“火并”

此次發(fā)布會的另外一個亮點就是雙黑洞。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞，這兩個黑洞的質量分別為26和39太陽質量，屬于恒星級黑洞。這次發(fā)現(xiàn)與我們常常聽說的黑洞有些不同，兩個天體都是黑洞，互相繞轉，最后合并，聽起來像是一場黑吃黑的火拼。黑洞合并產生了非常強烈的時空振蕩，所以我們在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）的恒星在其演化的最終階段，恒星中心會形成我們了解的恒星級黑洞。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，每個星系都預計存在著上千萬個恒星級黑洞，但是絕大多數的黑洞都是孤獨存在的天體，如同幽靈般，所以很難被看到。

所幸，有的黑洞處于雙星系統(tǒng)當中，就像發(fā)布會中提及的系統(tǒng)，而且另外一個天體是正常的恒星（也稱之為伴星）。在這種情形之下，黑洞會從正常恒星上吸積氣體，在其周圍產生一個吸積盤，以至于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余的氣體拋射出去，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（也就是產生光子），從而我們利用傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)了第一個黑洞候選體，天鵝座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。后續(xù)觀測中，人們利用天鵝座X-1中的伴星運動測得了黑洞質量，大約為15個太陽質量，從而使基普·索恩獲得了勝利。

由于雙黑洞系統(tǒng)幾乎不會產生光子，所以，即使它們存在，僅憑借傳統(tǒng)的觀測方式，我們也無法發(fā)現(xiàn)。況且，很多的人都懷疑它的存在。但是，在雙黑洞繞轉，尤其是合并之時，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(fā)現(xiàn)它們的蹤影。面對大家的懷疑，LIGO的發(fā)現(xiàn)用事實證明了它的存在。而此次發(fā)現(xiàn)引力波的天文臺的創(chuàng)建人之一就是基普·索恩。

引力波為黑洞做名片

在觀測到了完整的引力波形之后，利用一種叫做匹配濾波的方法，理論上就可以推斷出系統(tǒng)的性質信息，包括合并之前和之后。比如，對于雙黑洞系統(tǒng)，可以推斷出合并之前的黑洞質量、自旋和軌道，以及合并之后的質量和自旋。此次新聞發(fā)布會中所提及的引力波事件，就得到黑洞的質量在合并之前是26個和39個太陽質量，合并之后是62個太陽質量，合并后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，合并之后怎么少了3個太陽質量，它跑到什么地方去了？引力波也是攜帶能量的，在黑洞合并之時，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。合并的時間非常之短，僅僅在大約0.05秒的時間，就將3個太陽質量（大約6.0E30千克）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1032千克的能量，比整個宇宙每秒鐘輻射出的電磁總能量還要高出3倍。

我們注意到，合并前黑洞的質量為26個和39個太陽質量——這兩個質量都比目前已知的恒星級黑洞要重許多。我們現(xiàn)在已經確認了大約20多個恒星級黑洞，最重的恒星級黑洞位于M33 X-7系統(tǒng)中，為16個太陽質量。而其他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。盡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(fā)現(xiàn)過，所以此次發(fā)現(xiàn)更大質量黑洞，對于黑洞的形成渠道也有著重要影響。

我們所看到的所有恒星，都是處于旋轉當中。所以對于那些由恒星塌縮而形成的黑洞而言，它們也是處在旋轉之中。對于黑洞的旋轉，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”）。對于此次觀測中合并以后的黑洞，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。

如果你覺得轉速依舊很難理解，那我們可以想象一下《星際穿越》電影的一個情節(jié)，主人公在卡剛都亞黑洞的行星上只呆了3個小時，但是飛船上已經過了23年，時間相差了6萬倍。要有這樣巨大的時間差，其條件就是行星極度靠近黑洞的同時，黑洞也以最大速度轉動，這樣行星上的時間就會被極大地拉長。對于此次引力波探測到黑洞而言，即使有某個行星在其周圍穩(wěn)定存在，它的時間差最多也只有2倍左右。

對于黑洞而言，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。對于宇宙當中的黑洞，只需要我們上面所說的質量和自旋參數就可以很容易地對黑洞本身的全貌做出描繪。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(tǒng)的觀測方式，更為有效，盡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100年之久，為什么引力波這么難得一見？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。引力波的強度通常利用相對變形大小來表示，但是實際結果往往是小得可憐，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。如果有一天，我們被同樣的雙黑洞系統(tǒng)在合并時所產生的引力波所擊中的話，理論上來說，我們同樣會經歷一個稍微變高變瘦，然后變胖變矮一些的過程。而對我們身高不超過2米的人類來說，導致的實際變化大約為2E-21米，僅為一個氫原子的五百億分之一（一個氫原子的大小大約為1.0E-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，另外一方面需要通過巧妙的方法來探測微小的變化。這也是激光干涉引力波天文臺（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、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(xiàn)此消彼長的周期性變化。

此次雙黑洞合并可能產生的尺度相對變化最高可為1.0E-21，這意味著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LIGO反射鏡的位置隨機漲落小于一個氫原子大小的百億分之一。

LIGO在1999年建成并且開始運行。從2010年開始，LIGO對探測器進行了第二階段的升級，2015年9月開始正式運行，第一階段的科學運行一直持續(xù)到2016年1月，升級后的版本被稱為Advanced LIGO（簡稱aLIGO）。而此次新聞發(fā)布會的結果其實就是在剛剛升級完之后的2015年9月14日，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(fā)現(xiàn)了所報道的雙黑洞系統(tǒng)。探測到引力波似乎就在本來的預料當中，就像發(fā)布會中所言，這或許是大自然給我們苦盼許久的一份禮物。

誰將撼動時空

那么在宇宙中，什么樣的天體才能撼動宇宙時空，讓位于遙遠地球上的LIGO探測到呢？現(xiàn)在通常認為有如下四種。

1.旋進或者合并的致密星雙星系統(tǒng)。比如中子星或者黑洞的雙星系統(tǒng)，非常類似于發(fā)布會當中的系統(tǒng)。

2.快速旋轉的致密天體。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。

3.隨機的引力波背景。非常類似于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跡。原初引力波的探測將是對暴脹宇宙模型的直接驗證，對于它的探測依舊在努力尋找之中。

4.超新星或者伽馬射線爆發(fā)。恒星爆發(fā)時非對稱性動力學性質也會產生引力波，而直接探測到來自于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。

除了LIGO之外，還有意大利的VIRGO引力波探測器、日本的KAGRA探測器以及英國德國的聯(lián)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(fā)，越來越多。

為一窺宇宙初生

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，但是對強引力之下的驗證之前卻從來沒有進行過。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弱，所以引力波可以給我們提供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，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程，而對于電磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大約30萬年之后的宇宙歷史，在此之前的圖景，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解宇宙形成的最好工具。

不知您是否還記得，在《星際穿越》電影中，主人公庫珀身處一個五維時空的超立方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處四維時空的女兒墨菲，人為地制造引力波效應，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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力還很有限，但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(jié)也不會太遠。

據科普中國