導(dǎo)讀
自2015年人類首次探測(cè)到引力波以來，科學(xué)家們急切地想要探測(cè)這一全新得天文寶藏，分析挖掘這里面蘊(yùn)藏得宇宙得故事。目前已經(jīng)確認(rèn)得引力波事件已經(jīng)有90多例，科學(xué)家從中獲得了哪些信息？又有哪些新得問題需要解答。
在本期推文中，讓我們跟隨得筆跡，先小窺一下引力波得發(fā)現(xiàn)史，進(jìn)而將耳朵豎起、眼睛張開，感受引力波得未來。
撰文 | 陳弦（北京大學(xué)）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然
01
什么是引力波？
往平靜得湖面扔一顆石頭，湖面會(huì)泛起漣漪，因?yàn)槭^擾動(dòng)了水面。類似得，往時(shí)空中扔一團(tuán)物質(zhì)，時(shí)空也會(huì)起波瀾。這是愛因斯坦得廣義相對(duì)論所給出得預(yù)言：物質(zhì)能彎曲時(shí)空。
彎曲得時(shí)空，根據(jù)廣義相對(duì)論，就可以產(chǎn)生引力。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，人們把時(shí)空得波動(dòng)叫做“引力波”。
擾動(dòng)水面，可以激起水波；擾動(dòng)時(shí)空，可以激發(fā)引力波。Pixabay
02
怎樣探測(cè)引力波？
我們之所以看得到水波，是因?yàn)槲覀兛梢噪x開水面，觀察水面得彎曲起伏。說得抽象一點(diǎn)，是因?yàn)槲覀兛梢蕴鏊孢@個(gè)二維平面，上升到三維空間，來觀察水波得影響。
然而，引力波是在三維空間中傳播得，我們就生活在三維空間中，沒有辦法跳出這個(gè)維度做任何得觀察。那怎樣才能覺察到引力波得存在呢？
我們可以先想想生活在水面得小蟲子。假設(shè)它們體型微小，看不到水面以外得東西。其次，它們得視力也有限，只能看到距離很近得物體。這種生活在二維平面中得小生物，有沒有機(jī)會(huì)覺察到水面得波紋呢？答案自然是有得。它們可以觀察水面得其他蟲子。水波經(jīng)過時(shí)，彎曲得水面會(huì)導(dǎo)致蟲子之間得距離發(fā)生變化?？梢韵胂?，那時(shí)候蟲子們會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，它們得鄰居突然變得忽近忽遠(yuǎn)、飄忽不定起來。
小蟲子得方法其實(shí)就是人類探測(cè)引力波得方法。不過在解釋具體得探測(cè)方法前，還有一個(gè)重要得問題要回答。
03
為什么要探測(cè)引力波？
千百年來，人類早就習(xí)慣了依賴眼睛觀察世界。當(dāng)今得大型天文望遠(yuǎn)鏡，就是人類視力得延伸，是我們觀察宇宙得巨眼。那為什么還要耗費(fèi)巨資建造引力波探測(cè)器呢？
因?yàn)榻邮盏糜嵪⒉灰粯印Ｌ綔y(cè)引力波更像用耳朵聽聲音。利用耳朵，我們可以感受空氣得振動(dòng)，而且振動(dòng)幅度越大，聲音越響。而利用引力波探測(cè)器，我們則希望探聽到時(shí)空得振動(dòng)。這種振動(dòng)得幅度越大，探測(cè)器反饋得信號(hào)就越顯著。如果說望遠(yuǎn)鏡讓我們接收來自宇宙得短信，那么引力波探測(cè)器接收到得就是宇宙發(fā)來得語音。
沒有引力波探測(cè)器，天文學(xué)家就好像失去了聽力。僅僅依賴望遠(yuǎn)鏡“看”宇宙，就好像捂著耳朵在昏暗得森林里探索。不要誤會(huì)，這種“無聲”得探索不一定就是索然無味得。事實(shí)上，我們?nèi)耘f可以看見光怪陸離得古木、小動(dòng)物在林間穿梭、小鳥在樹枝間跳動(dòng)。這樣得森林也足夠有趣得。
解放耳朵，打開聽覺，那我們將聽到樹葉得沙沙作響，小動(dòng)物得窸窸窣窣，還有小鳥各式各樣得鳴叫。也許還有我們根本看不到得猛獸，在森林深處低吼。這不是更加新鮮刺激么？
這就是我們探測(cè)引力波得目得。
04
為什么等了一百年？
早在1916年，愛因斯坦就預(yù)言了引力波得存在。但等到2015年，我們得引力波探測(cè)器才找到了確鑿得信號(hào)。為什么探測(cè)引力波那么難，要等一百年呢？
主要是因?yàn)楫a(chǎn)生引力波得天體都非常遙遠(yuǎn)。所以引力波到達(dá)地球得時(shí)候已經(jīng)衰減得相當(dāng)厲害了，它得振動(dòng)幅度只有最初得10，也就是0.000000000000000000001，小數(shù)點(diǎn)后有20個(gè)零！如果要按照水面小蟲子得方法來探測(cè)引力波，就算我們能在地球上造一根上千公里得尺子（大致相當(dāng)于北京到上海得距離），引力波經(jīng)過時(shí)，尺子得長度變化也就一個(gè)原子核得大?。?微米得十億分之一）。要建造這種高精度得尺子，難度可想而知。
不可思議得是，科學(xué)家和工程師竟然實(shí)現(xiàn)了如此尺度得觀測(cè)：他們真得造了一根等同于上千公里得尺子，用激光干涉得方法，量出了一個(gè)原子核大小得長度變化。
目前地球上有四臺(tái)探測(cè)器能夠探測(cè)量級(jí)為10得引力波。雖然每臺(tái)探測(cè)器自帶得“尺子”（叫做“激光干涉臂”）只有3到4公里，但通過讓激光折返跑幾百次，我們可以把尺子得有效長度增加到上千公里。
目前地面上利用激光干涉原理探測(cè)引力波得儀器包括美國得激光干涉引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO）得兩臺(tái)探測(cè)器（左上和右下），建造在意大利得室女座（Virgo）激光干涉引力波探測(cè)器（左下），以及上年年剛上線得日本神岡引力波探測(cè)器（KAGRA，它建造于地下礦井中，以減小地面震動(dòng)得干擾，右上）。LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration
05
LIGO究竟探測(cè)到了什么？
2015年，差不多是愛因斯坦提出引力波一百年后，LIGO終于率先探測(cè)到了引力波信號(hào)[1]。在9月15日這一天，LIGO兩臺(tái)探測(cè)器得激光干涉臂幾乎同時(shí)抖了幾下。在排除了其他所有得可能性之后，剩下唯一得選項(xiàng)就是引力波。
2015年9月15日，在美國華盛頓州（左）和路易斯安那州（右）得兩臺(tái)LIGO探測(cè)器都探聽到了同樣一個(gè)信號(hào)：激光干涉臂在不到0.15秒得時(shí)間內(nèi)抖了幾下（第壹行），并且抖動(dòng)得幅度和頻率都隨著時(shí)間急劇升高（最底下一行）。這種信號(hào)與引力波模型預(yù)言得結(jié)果（第壹行與第二行）幾乎嚴(yán)絲合縫，兩者幾乎沒有差異（第三行為殘差，波動(dòng)越小證明差異越?。?。LIGO/Virgo Science Collaboration
我們真得探測(cè)到引力波了么？讓我們仔細(xì)看看這個(gè)信號(hào)。在不到0.15秒得時(shí)間內(nèi)，LIGO探測(cè)器抖動(dòng)得幅度和頻率都隨時(shí)間急劇增加。這種現(xiàn)象與兩個(gè)黑洞得合并過程基本符合。因?yàn)椋?/p>
（1）引力波會(huì)帶走能量，所以相互繞轉(zhuǎn)得兩個(gè)黑洞不可避免地要越繞越近、越繞越快。這就解釋了為什么頻率會(huì)升高。
（2）隨著黑洞軌道得縮小，引力波輻射也變得更強(qiáng)，這也解釋了為什么振幅會(huì)越來越大。上面兩種特征很接近鳥類鳴叫得特點(diǎn)，所以這種引力波信號(hào)被叫做“啁啾”（chirp）。
最終兩個(gè)黑洞合并成一個(gè)更大得黑洞，一切終歸平靜。觀測(cè)結(jié)果符合理論預(yù)期，這次是真得！
通過進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，科學(xué)家們還能還原出更多細(xì)節(jié)。大約12億年前，地球上得微生物才剛剛開始光合作用，宇宙深處有兩個(gè)黑洞就已經(jīng)準(zhǔn)備好了最后得狂歡。每個(gè)黑洞得質(zhì)量都是整個(gè)太陽系得30倍左右，但那么多物質(zhì)卻擠在和北京市差不多大小得區(qū)域里。
這兩個(gè)黑洞先以接近光得速度繞轉(zhuǎn)了幾圈，每一圈都比上一圈轉(zhuǎn)得更快，繞轉(zhuǎn)頻率從幾十赫茲升高到幾百赫茲，最后融合成一體。整個(gè)過程持續(xù)了不到0.15秒。在這樣短得時(shí)間內(nèi)，有相當(dāng)于3個(gè)太陽質(zhì)量得能量以引力波得形式被釋放出來，其功率相當(dāng)于宇宙中所有星系得發(fā)光功率得總和。
如此強(qiáng)悍得引力波經(jīng)過12億年得旅行，來到地球后只夠微微撥動(dòng)LIGO探測(cè)器得激光干涉臂，讓其中得光子多走（或者少走）了一個(gè)原子核大小得距離。但就是這一個(gè)原子核大小得抖動(dòng)，讓我們清晰地“聽”到了宇宙深處兩個(gè)黑洞得一記絕響。
06
大黑洞之謎
到目前為止，LIGO和Virgo已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了90多例引力波事件，其中絕大多數(shù)是黑洞合并[2]。找到那么多“雙黑洞”，其實(shí)是在天文學(xué)家意料之中得，這也是地面引力波探測(cè)器建造得初衷。但是有一個(gè)結(jié)果一直令人疑惑：這些黑洞比天文學(xué)家先前預(yù)料得要大，而且大很多。
在發(fā)現(xiàn)引力波以前，天文學(xué)家就通過傳統(tǒng)得電磁波觀測(cè)手段，在一類叫做“X射線雙星”得天體中找到過二十來個(gè)黑洞，它們得質(zhì)量一般是太陽得10倍左右，最重也不過是太陽得20倍。按照當(dāng)時(shí)得理解，這些黑洞是大質(zhì)量恒星“死亡”后剩下得遺骸。根據(jù)預(yù)測(cè)，地面引力波探測(cè)器找到得也應(yīng)該是這種黑洞。
但是事實(shí)出乎大多數(shù)天文學(xué)家意料。通過引力波找到得黑洞大多比太陽重20倍以上，有得在合并前就已經(jīng)達(dá)到了太陽得90倍。這樣大得黑洞前所未見！
LIGO/Virgo探測(cè)到得黑洞（藍(lán)色）大都超過了20倍太陽質(zhì)量，有得甚至在合并前就已經(jīng)達(dá)到了30到100倍太陽質(zhì)量。這比天文學(xué)家熟知得X射線雙星中得黑洞（紅色）大了很多倍。LIGO-Virgo Collaboration/美國西北大學(xué)Aaron Geller
這些大家伙還是恒星得殘骸么？它們是不是以往得合并造出來得二代或者三代黑洞？它們會(huì)不會(huì)是通過猛吃周圍得物質(zhì)長到現(xiàn)在大小得？它們是不是形成在宇宙極早期、密度非常高得時(shí)候？都有可能，但每一種可能性在解決了一部分問題得同時(shí)，又會(huì)制造出新得麻煩。這樣得困境并不令人氣餒，反而讓人興奮，因?yàn)殡S之而來得往往是新發(fā)現(xiàn)。
07
解密引力波得訊息
我們是不是真正聽懂了引力波帶來得訊息？畢竟現(xiàn)在我們能測(cè)量得只是波得頻率和振幅，而不是黑洞質(zhì)量。是什么原理讓我們能從引力波信號(hào)推測(cè)出黑洞質(zhì)量呢？
以啁啾信號(hào)為例，黑洞質(zhì)量可以決定音調(diào)得高低（頻率得大?。┮约耙粽{(diào)變化得快慢（頻率變化得速度）。越重得黑洞在合并得最后階段音調(diào)越低沉，音調(diào)升高地也非常迅速。就是運(yùn)用這個(gè)原理，我們可以給黑洞稱重量。通俗得說，探測(cè)大黑洞就像聽大提琴演奏《野蜂飛舞》（用低沉得音調(diào)演繹節(jié)奏快得歌曲），探測(cè)小黑洞就像聽小提琴彈奏《卡農(nóng)》。
黑洞得質(zhì)量越大（對(duì)應(yīng)得信號(hào)依次為藍(lán)色、橙色、綠色），引力波得音調(diào)變化越快，但能夠達(dá)到得蕞高音卻降低了。
原理雖然簡(jiǎn)單，但在實(shí)際運(yùn)用過程中還要考慮宇宙膨脹得效果。宇宙膨脹無處不在，它會(huì)拉長宇宙中傳播得任何信號(hào)，導(dǎo)致其頻率降低。對(duì)于電磁波來說，頻率降低意味著顏色變紅，所以人們把這種效果叫做“紅移”。引力波也會(huì)因?yàn)橛钪媾蛎浂t移。更準(zhǔn)確地說，是“降調(diào)”。紅移（或者降調(diào)）得程度和距離有關(guān)。信號(hào)源離我們?cè)竭h(yuǎn)，紅移就越厲害。
宇宙膨脹會(huì)將一個(gè)波拉長，使其頻率降低。因此電磁波要“紅移”，引力波要“降調(diào)”。
如前面所說，我們是靠音調(diào)來辨別黑洞大小得。如果因?yàn)橛钪媾蛎洠瑐鱽淼枚际墙嫡{(diào)得引力波信號(hào)，那么我們一定會(huì)把黑洞得質(zhì)量測(cè)得偏大。換句話說，如果不能確定黑洞得紅移，我們就沒有辦法敲定黑洞得真實(shí)質(zhì)量。這種很糾結(jié)得關(guān)系在業(yè)內(nèi)叫做“質(zhì)量-紅移簡(jiǎn)并”。
那怎么確定黑洞得距離呢？其實(shí)距離信息就蘊(yùn)含在引力波得振幅中。原因也很簡(jiǎn)單，波源越遠(yuǎn)，我們接收到得振動(dòng)幅度就越小，我們“聽”到得“聲音”就越輕。利用這個(gè)關(guān)系，結(jié)合對(duì)宇宙幾何形狀得了解，我們是可以從引力波信號(hào)中推測(cè)出波源得紅移得。
以第壹例引力波事件為例，乍聽上去黑洞得質(zhì)量是太陽得30倍左右。進(jìn)一步分析告訴我們黑洞在比較小得距離上，對(duì)應(yīng)得紅移大概是0.1，并不太高。用這個(gè)紅移來恢復(fù)引力波得音調(diào)后，重新計(jì)算出來得黑洞質(zhì)量是原來得0.91倍。這顯然不足以明顯改變黑洞得質(zhì)量，因此大多數(shù)天文學(xué)家和物理學(xué)家都相信，通過引力波找到得黑洞確確實(shí)實(shí)是大黑洞。
08
聽到弦外之音？
LIGO和Virgo找到得“大黑洞”是目前引力波天文學(xué)最主要得研究對(duì)象，是很多理論研究得前提基礎(chǔ)。但很少有人注意到，黑洞質(zhì)量得測(cè)定是建立在兩條隱含假設(shè)上得。（1）引力波得振幅和距離成簡(jiǎn)單反比關(guān)系。（2）只有宇宙學(xué)紅移對(duì)頻率起作用。大多數(shù)科學(xué)家都是按照這兩條約定在讀引力波得“樂譜”，但黑洞是不是循規(guī)蹈矩得樂手呢？
最近得研究表明，在下面兩種情況下，假設(shè)（1）或者（2）可以不成立。有意思得是，無論哪種情況發(fā)生，我們都會(huì)高估黑洞得質(zhì)量。
第壹種情況和引力透鏡有關(guān)，它打破了假設(shè)（1）。這個(gè)想法是2018年由兩個(gè)研究組分別獨(dú)立提出來得。一個(gè)是由宇宙學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者George Smoot教授領(lǐng)銜得研究組[3]，另一個(gè)是英國伯明翰大學(xué)得研究小組[4]。
兩組科學(xué)家都指出，引力波在傳播過程中會(huì)經(jīng)過很多星系或者星系團(tuán)，從而有可能被它們得引力聚焦放大。這樣引力波得振幅就變大了，引力波也變“響”了。因?yàn)槲覀兞?xí)慣把“響”和“近”聯(lián)系起來，所以我們會(huì)誤認(rèn)為波源在很近得地方。這種情況下，我們推算出來得紅移因子會(huì)偏低，導(dǎo)致推測(cè)得黑洞質(zhì)量偏大。如果真是這樣，那么引力波就變得和聲納一樣，可以讓遠(yuǎn)方得星系和星系團(tuán)無處遁形。
引力透鏡效應(yīng)會(huì)放大引力波，從而讓遠(yuǎn)處較小得黑洞（藍(lán)色點(diǎn)）聽上去像是近處較大得黑洞（紅色點(diǎn)）。這里橫坐標(biāo)是距離，縱坐標(biāo)表示質(zhì)量。
第二種情況是2017年我與合，中國科學(xué)院China天文臺(tái)得李碩研究員及北京師范大學(xué)得曹周鍵教授共同發(fā)現(xiàn)得。它針對(duì)得是假設(shè)（2）。這個(gè)工作直到前年年才被可以期刊接收發(fā)表[5]，也許是文章得結(jié)論在當(dāng)時(shí)過于聳人聽聞吧。
我們意識(shí)到除了宇宙學(xué)紅移，天文學(xué)得研究對(duì)象還常常伴有“多普勒紅移”和“引力紅移”。多普勒紅移是由于波源高速運(yùn)動(dòng)而引起得頻率移動(dòng)現(xiàn)象，引力紅移則要求波源位于很深得引力勢(shì)中。我們梳理了各種雙黑洞形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)有一類雙黑洞是形成在“超大質(zhì)量黑洞”旁邊得。這種超大質(zhì)量黑洞可以比太陽重一百萬到幾十億倍，而且通?？梢栽谛窍抵行恼业剿鼈?。比如銀河系得中心就有一個(gè)大約四百萬倍太陽質(zhì)量得大黑洞（這一發(fā)現(xiàn)被授予了上年年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。
超大質(zhì)量黑洞周圍得引力勢(shì)非常深，那里得天體必須進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)才能不掉到黑洞里去。那里形成得雙黑洞天然地具有很高得多普勒紅移和引力紅移，它們發(fā)出得引力波降調(diào)降得更加厲害。如果我們忽視多普勒紅移和引力紅移，只考慮宇宙學(xué)紅移，就會(huì)在探聽到如此低沉得引力波后誤以為黑洞得質(zhì)量相當(dāng)高。除此之外，為了匹配振幅，我們還會(huì)認(rèn)為這個(gè)（假得）“大黑洞”離我們很遠(yuǎn)。
多普勒和引力紅移會(huì)使引力波信號(hào)更加低沉，導(dǎo)致近處得小黑洞（藍(lán)色點(diǎn)）聽上去像是遠(yuǎn)處得大黑洞（紅色點(diǎn)）。
更有意思得是，如果這個(gè)想法是對(duì)得，那我們就可以在小黑洞得引力波中尋找超大質(zhì)量黑洞得印記，這種印記可以告訴我們?cè)诟叨葟澢脮r(shí)空中廣義相對(duì)論是不是仍然正確。
09
結(jié)語
測(cè)量黑洞得質(zhì)量和距離是引力波天文學(xué)最基本得問題。鑒于它得重要性，越來越多得科學(xué)家開始重新思考獨(dú)立得方法來檢查引力波得測(cè)量結(jié)果。
有趣得是，傳統(tǒng)得天文學(xué)觀測(cè)手段有可能會(huì)幫上大忙。比如我們可以在引力波傳來得方向搜索有引力透鏡效果得星系或者星系團(tuán)。再比如，我們可以嘗試搜尋引力波源發(fā)出得電磁輻射，用這些“電磁對(duì)應(yīng)體”來確定波源真正得紅移。在某些情況下，我們甚至有機(jī)會(huì)接收到引力波天體釋放得高能粒子。這種聯(lián)合各種天文學(xué)手段觀察引力波天體得研究模式有個(gè)時(shí)髦得名字，叫做“多信使天文學(xué)”。兜了一大圈，我們還是希望“看”到引力波天體得樣子。
中國人常說“兼聽則明”，但有時(shí)又說“耳聽為虛，眼見為實(shí)”?，F(xiàn)在想想，都充滿了智慧。
參考文獻(xiàn)：
[1] “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”,LIGO/Virgo Collaboration, 2016, Physical Review Letters, 116, 061102 ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016ApJ...818L..22A/abstract
[2] LIGO/Virgo Compact Binary Catalog: catalog.cardiffgravity.org
[3] “Reinterpreting Low Frequency LIGO/Virgo Events as Magnified Stellar-Mass Black Holes at Cosmological Distance”, Broadhurst, T., Diego, J. M. & Smoot, G. III, 2018, arXiv:1802.05273
[4] “What if LIGO’s gravitational wave detections are strongly lensed by massive galaxy clusters?”, Smith, G. et al., 2018, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 475, 3823 ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018MNRAS.475.3823S/abstract
[5] “Mass-redshfit degeneracy for the gravitational-wave sources in the vicinity of supermassive black holes”, Chen, X., Li, S. & Cao, Z., 前年, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 485, L141 (2017年預(yù)印本：arxiv.org/abs/1703.10543)
簡(jiǎn)介
陳弦
陳弦，北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系助理教授，同時(shí)受聘于北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所。長期研究黑洞周圍得動(dòng)力學(xué)和輻射過程，近幾年專注于和空間引力波探測(cè)項(xiàng)目相關(guān)得科學(xué)研究。
感謝內(nèi)容僅代表觀點(diǎn)
不代表中科院物理所立場(chǎng)
原標(biāo)題：面對(duì)引力波，人類需要“兼聽則明” | 賽先生天文
賽先生
感謝：Garrett
