引力波天文学：“听”见不一样的宇宙

天文学可能是人类最古老的学科。尽管它有着悠久的历史，但在很长一段时间里，天文学家只能通过“观察”遥远天体发出的光来了解宇宙。光是电磁波，其中只有一小部分是可见的，这部分叫做可见光。其余的光，如无线电、微波、红外线、紫外线、x光、伽马射线等。，超出了人眼的可见范围，只能用特殊仪器检测。借助这些仪器，今天的天文学家已经能够在所有电磁波中观察宇宙，并“看到”我们祖先看不到的宇宙。(图1)

图1:不同电磁波中银河系的照片。可见光波段的照片在第8行。(信用:美国航天局)

宇宙中有我们看不见的地方吗？2015年9月14日将载入史册，因为在那一天，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)发现了来自宇宙深处的信号。这个引力波信号不是“看见”的，而是“听见”的。

引力波是广义相对论的预言。一般来说，引力波就像空间和时间中的波纹:当空间和时间受到干扰时，这种干扰将以光速向外传播。引力波的作用之一是使两点之间的距离有规律地振荡。正是通过测量地球上两点之间距离的变化，LIGO探测到了引力波。这是一项困难的任务，因为这些引力波会引起10-21级的扰动。也就是说，即使有一把1000公里长的尺子，当引力波通过时，尺子的长度变化只有质子那么小，更不用说LIGO的两个探测器只有4公里长。

为什么我们需要“倾听”来探测引力波？我们的耳朵能听到声音的原因是鼓膜对空气的振动有反应。空气的振幅越大，声音就越大。我们的眼睛能看见物体的原因是因为视网膜对光子有反应。单位时间内照射到视网膜的光子越多，物体看起来就越亮。因为引力波天文台探测引力波的振幅，而不是引力波的流动，所以它的工作更像是用耳朵听声音。

引力波探测器能“听到”什么样的天体？正如人耳听不到极其微弱的声音一样，引力波探测器的听觉也是有限的。只有足够大的引力波源才能被听到。原则上，这些天体基本上满足以下四个条件。

1.高质量。这就是为什么尽管车祸也会产生引力波(振幅与10-41有关)，但研究引力波的专家通常不会关心它们，除非一辆卡车直接撞上引力波天文台的外墙(这样的目标真的发生了)。

2.小规模。太阳的质量是2x1027吨，水星的质量是3x1020吨。尽管这两个质量看起来很大，但仍然很难测量太阳-水星系统辐射的引力波，因为水星离太阳有6000万公里，而且该系统的规模太大。

3.不对称的形状。与太阳相比，中子星更重，体积更小。然而，一颗中子星仍然很难产生强大的引力波，因为中子星太圆了。这也是为什么今天我们没有探测到中子星旋转产生的引力波。

距离并不太远。在这一点上，当你下次接电话时，把听筒放在远离耳朵的地方。

宇宙中没有多少天体能同时满足上述四个条件。在科学家“提名”的候选天体中，两个黑洞的合并排名更高。果然，第一次引力波事件是两个黑洞的合并。然而，令大多数天文学家惊讶的是，我们第一次“听到”的黑洞与我们以前“看到”的完全不同。

在“观察”宇宙的时代，我们发现了一个重量约为太阳10倍的黑洞。它们都存在于一个叫做“X射线双星”的天体中。天文学家推测，这样的黑洞应该是已经死亡的大质量恒星的残骸。在教科书中，这样的黑洞被称为“恒星黑洞”。在学术会议上，天文学家经常严肃地说:“众所周知，当大质量恒星死亡时，黑洞就会形成，它们的典型质量是太阳质量的10倍。”

两个黑洞的第一次合并，LIGO“听说”推翻了天文学家对恒星黑洞的定义。在这种情况下，一个黑洞比太阳重36倍，另一个比太阳重29倍！如此巨大的黑洞在X射线双星中是前所未有的。当时，整个天文会议都被震惊了。上述句子“众所周知”已经从学术界消失了。

为什么天文学家认为LIGO已经探测到超重的黑洞？换句话说，如何从引力波中得知黑洞的质量？答案在于引力波的频率。引力波的频率直接反映了两个黑洞围绕彼此旋转的速度。粗略地说，黑洞越重，两个黑洞在合并前旋转得越慢，因此引力波的频率越低。相反，黑洞越小，引力波产生的频率越高。我们可以通过频率来判断黑洞的大小，就像我们可以通过音高来区分小提琴和大提琴的声音一样。

截至2018年底，欧洲的LIGO和处女座探测器通过联合观测，又发现了9个确认的双黑洞合并事件和1个双中子星合并事件。在这9个双黑洞合并事件中，有7个包含超重的黑洞，有些黑洞合并后甚至重达太阳质量的80倍。(图2)

图2:由ligo/virgo探测到的双黑洞(蓝色)和双中子星(橙色)。紫色圆点代表X射线双星中的黑洞，黄色圆点代表已知的中子星。(学分:LIGO/处女座/西北大学./弗兰克·埃拉夫斯基)

为什么这样超重的黑洞从来没有在X射线双星中被“看到”？超重黑洞究竟是如何形成的？它们真的是大质量恒星死亡的产物吗？我们“听到的”是超重双黑洞的“原始声音”是真的吗？声音有可能是“失真”的吗？有没有其他方法证明超重黑洞的存在？天文学家对这些问题没有明确的答案。

然而，有一点是一致的，那就是人类观察宇宙的“无声电影”时代已经结束。我们已经进入了“有声电影”的时代。下一步自然是改善视听体验。就“听觉”而言，我们可以通过降低引力波探测器的噪声来进一步“听觉”(如Virgo处女座升级计划和未来的爱因斯坦望远镜)。通过建造新的地面引力波探测器(日本的KAGRA，印度计划中的IndIGO等。)，我们可以“听”到“立体声”来识别引力波物体的方向。通过在太空建造引力波探测器(如欧美的LISA，日本的DECIGO，中国的太极和秦天等。)，我们可以“听到”更深的“低音”，并在宇宙中找到更远更重的黑洞。所有这些工作都在一个接一个地进行。

中国人有一句谚语，叫做“倾听一切，你就会明白”。这是当今引力波天文学的一个很好的类比。