合并黑洞第一聲

伊曼紐爾·博蒂+晨飛

幾十年來，科學家一直希望能夠通過檢測引力波來“收聽”猛烈的天體物理學事件。引力波的存在是愛因斯坦于1916年預言的，可以被描述為時空幾何體中的振蕩扭曲，但在之前它們從來沒有被直接檢測到過?，F(xiàn)在，在一篇優(yōu)秀的論文中，科學家向我們講述了他們在激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）檢測到引力波的經(jīng)過。他們的發(fā)現(xiàn)為宇宙中雙黑洞系統(tǒng)可以存在與合并的觀點提供了第一條觀測證據(jù)。

移動的質(zhì)量可以產(chǎn)生引力波，引力波與電磁波相似，也以光速傳播。在傳播的過程中，引力波會在與傳播方向垂直的平面上將時空壓縮或拉伸。然而，因為它們造成的這種扭曲非常小，想要檢測到是極度困難的：即使是天體物理學事件產(chǎn)生的最強引力波，也只能導致10-21數(shù)量級上的長度變化。

升級版LIGO包括兩個檢測器，每個檢測器都是一個邁克爾遜干涉儀，由兩條長達4千米的光學共振腔組成。干涉儀的設計保證了在沒有引力波信號的時候，從兩條臂中穿過的激光到達光電探測器時的相位正好相差180°，因此不會產(chǎn)生信號。引力波沿著與檢測器平面垂直的方向傳播，會破壞這種完美的相消干涉。在它的第一個半周期，引力波會延長一個臂而縮短另一個臂;在第二個半周期，這種變化就會反過來。這種長度變化會導致激光束之間的相位差異，使光能信號到達光電探測器。用兩臺這樣的干涉儀，LIGO就可以排除只在一臺檢測器上出現(xiàn)的雜散信號（例如當?shù)氐牡卣鸩ǎ?/p>

LIGO的靈敏度十分卓越：它可以檢測到兩個臂長之間小于一個原子核直徑的長度變化。LIGO的最大挑戰(zhàn)是檢測器的噪音，主要有地震波、熱運動和光子散粒噪聲。這些干擾可以輕易遮蔽掉引力波產(chǎn)生的微弱信號。2015年完成的升級把檢測器在100赫茲至300赫茲的靈敏度提高了3倍至5倍，在60赫茲以下的靈敏度則提高了10倍以上。這些改善加強了檢測器對更遠處的信號源的靈敏度，這對探測到引力波至關重要。

2015年9月14日， 在升級版LIGO開始運轉的頭2天之內(nèi)，研究人員檢測到了一個強到可以直接用肉眼看到的信號。這個被編號為GW150914的信號的最強階段持續(xù)了0.2秒，并且，兩地的檢測器都捕捉到了這個信號，聯(lián)合信噪比是24。湊巧的是，這一天離愛因斯坦發(fā)表廣義相對論100周年紀念日還剩下不到兩個月。

就在幾十年前，人們一直認為檢測到引力波是一項不可能完成的任務。20世紀50年代，物理學家仍在就引力波到底是不是物理實體、能不能攜帶能量展開激烈的爭論。這場爭論的轉折點是1957年在北卡羅來納州教堂山舉行的會議。在那次會議上，理論物理學家菲利克斯·皮拉尼指出，牛頓第二定律和測地線方程之間存在著聯(lián)系，后者在廣義相對論框架下描述了潮汐力的作用。皮拉尼說，因為存在這個聯(lián)系，引力波中相鄰粒子的相對加速可以為觀測引力波提供一個物理學上有意義并且可行的方式。遺憾的是，這位為我們現(xiàn)在思考和檢測引力波方式奠定基礎的科學家于LIGO的科學家宣布探測到引力波之前數(shù)周（即2015年12月31日）去世。

其他參會的杰出科學家包括約瑟夫·韋伯、理查德·費曼、赫爾曼·邦迪，都對皮拉尼的想法的發(fā)展發(fā)揮了作用，尤其是費曼和邦迪，他們將皮拉尼的觀測發(fā)展成著名的“黏性珠子”思維實驗。他們認為，如果珠子在引力波作用下沿著一根有黏性的棒子加速，那么它們一定會通過摩擦向棒子傳遞熱量。這種熱量傳遞就證明引力波一定是攜帶能量的，因此，從原則上來講，引力波是可以檢測到的。

著手這類實驗的興趣并沒有立即產(chǎn)生。1964年，皮拉尼在一次關于引力輻射的學術報告上指出，韋伯認為有意義的實驗室實驗“在幾個數(shù)量級上都不可能”。與此同時，威廉·福勒（未來的諾貝爾獎得主）提出了所謂大型雙類星體（也就是我們稱為黑洞雙體的）放射出的很大一部分能量都是引力波輻射的觀點。然而，皮拉尼認為，對證明一個相應的理論來說，進行引力波直接觀測既不是必要條件也不是充分條件。他認為，如果物理學家搞不明白該怎樣量化引力，這種理論就“跟物理學沒多大關系”。

真正在這個領域里起到刺激作用的，是韋伯在1969年發(fā)表的一篇論文。在這篇論文中，韋伯稱自己用一個共振棒狀檢測器檢測到了引力波。這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了爭議，因為物理學家無法復制他的實驗結果。到20世紀70年代中期，大多數(shù)人都認為韋伯很可能是錯的。然而，幾年之后，麻省理工學院的年輕教授雷納·韋斯在準備相對論的課程材料時，看到了皮拉尼有關檢測引力波的提議—使用光信號捕捉相鄰粒子在波信號通過時產(chǎn)生的位置變化。他將這一方法做了一處關鍵性改動，于是LIGO應運而生：與其對短光脈沖進行計時，不如在邁克爾遜干涉儀中對相位進行測量。

現(xiàn)在，曾經(jīng)一度被認為“在幾個數(shù)量級上都不可能”的事成為現(xiàn)實。為了證實信號的本質(zhì)是引力波，研究者使用了兩套不同的數(shù)據(jù)分析方法。第一種方法是確定光電探測器捕捉到的額外能量是不是信號造成的，而不去考慮信號自身的來源。從這一分析中，他們確證這一轉瞬即逝的未建模信號的觀測統(tǒng)計顯著性大于4.6個標準差。第二種方法將設備輸出（信號加噪音）與利用廣義相對論計算出的黑洞合并信號做比較。通過匹配過濾的方法，研究者證實觀測信號的統(tǒng)計顯著性大于5.1個標準差。

最激動人心的結論來自對觀測信號的振幅和相位與數(shù)字模擬中相對論預測的比較，后者能夠幫助研究者估計描述引力波源的參數(shù)。這次檢測到的引力波的波形與一類雙黑洞系統(tǒng)相吻合，此系統(tǒng)中兩個黑洞的質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的36倍和29倍。這一類恒星質(zhì)量黑洞是我們已觀測到的同類型天體中最大的一種。另外，除了黑洞之外，沒有哪一種雙天體系統(tǒng)具有足夠大的質(zhì)量以產(chǎn)生觀測到的信號。（最可信的競爭者是雙中子星，或者一個中子星與一個黑洞。）研究人員估算，這一雙天體系統(tǒng)距離地球13億光年，其能量的大約4.6%以引力波的形式放射;合并后的黑洞的質(zhì)量相當于62個太陽質(zhì)量，無因次旋轉為0.67。

利用這個信號，研究人員進行了兩項廣義相對論的相容性測試，給引力子—介導引力的假設粒子—加上了一個質(zhì)量邊界。在第一項測試中，他們使用廣義相對論，從信號的早期內(nèi)旋片段和內(nèi)旋后片段分別推算出殘留黑洞的質(zhì)量和自旋，得到了相似的值。第二項測試用來分析兩個黑洞在向內(nèi)螺旋運動相互靠近時產(chǎn)生的波相位。這個相位可以寫成v/c的級數(shù)展開，其中v代表旋轉中的黑洞的速度，他們證實這項展開的系數(shù)與廣義相對論的預測相符合。通過假定具有質(zhì)量的引力子可以更改波相位，他們給定了引力子質(zhì)量的上限：1.2×10-22eV/c2，精確了我們通過太陽系和雙脈沖星觀測得到的測量結果。

LIGO的兩臺干涉儀在2015年9月14日檢測到了相似的信號。上面兩張圖是在漢福德（上左）和利文斯頓（上右）檢測到的信號，下面兩張圖顯示的是數(shù)字模擬中兩個黑洞合并產(chǎn)生的信號。

在物理學中，我們?yōu)長IGO的發(fā)現(xiàn)感到歡欣鼓舞，但更好的發(fā)現(xiàn)還有待未來。就像基普·索恩最近在BBC采訪中說的那樣，首次記錄到引力波從來不是LIGO的主要目標，他們的動力一直來自對打開通往宇宙的新窗口的向往。

引力波檢測會讓我們對天體物理來源擁有新的、更準確的測量，比如兩個正在融合的黑洞的旋轉方式，以及它們的形成機制。雖然升級版的LIGO無法精確測量這些旋轉的量級，但更好的信號模型、更好的數(shù)據(jù)分析技術、更靈敏的檢測器，能夠讓這種測量得以實現(xiàn)。一旦升級版的LIGO能夠實現(xiàn)設計靈敏度，就可以檢測比GW150914的信噪比高3倍的雙天體系統(tǒng)。這些信噪比更高的信號能夠用來更精確地確定信號源的參數(shù)，比如質(zhì)量和自旋。

即將完成的地球檢測網(wǎng)絡，包括升級版的VIRGO、日本的KAGRA、可能會落地印度的第三臺LIGO，可以幫助科學家確定天空中信號的來源，告訴我們該把“傳統(tǒng)”的收集電磁輻射或中微子的望遠鏡指向哪里。將這些觀測工具結合起來，會形成研究領域的新基礎，即“多信使天文學”。很快，“探路者”號實驗飛船上搭載的歐空局的引力波探測器“激光干涉儀空間天線”（eLISA）會傳回第一批數(shù)據(jù)。與地面上的探測器相比，eLISA能夠使我們凝視宇宙更深處，使對更大質(zhì)量黑洞形成的機制和宇宙距離的引力場行為的研究成為可能。

現(xiàn)在，我們正在走進引力波天文學的新時代：有了這種新的觀測工具，就像擁有了視覺之后，我們又擁有了聽覺。升級版的LIGO檢測到的第一個信號來自兩個黑洞的合并，這具有重大意義。這些天體是我們用電磁輻射無法觀測到的。在不久的將來，引力波天文學對天體物理學產(chǎn)生的影響會令人眼花繚亂。多項檢測結果可以讓我們研究宇宙中多久會發(fā)生一次黑洞合并，并對描述雙天體系統(tǒng)形成的天體物理學模型進行測試。對強信號的檢測同樣可以使物理學家測試所謂的無屬性定理，即黑洞的結構和動力學僅僅由其質(zhì)量和自旋決定。觀測來自黑洞的引力波或許還能向我們揭示引力的本質(zhì)。

在黑洞周圍引力場特別強的地方，引力作用真的像愛因斯坦預測的那樣嗎？如果我們修改愛因斯坦的引力論，可以解釋暗物質(zhì)和宇宙的加速膨脹嗎？現(xiàn)在，我們才剛剛開始回答這些問題。