引力波天文学：“听”见不一样的宇宙

　　天文学大概是人类最古老的学科了。尽管历史悠久，但是在很长的一段岁月里，天文学家都只能靠“看”来了解宇宙，看的是遥远天体发出的光。光是电磁波，其中只有很少一部分能被人看到，这一部分叫做可见光。其余的光，如无线电、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都超出了人眼可见的范围，要用特殊的仪器才能探测到。借助这些仪器，今天的天文学家们已经可以在全电磁波对宇宙进行观察，“看”到我们的祖先看不到的宇宙。（如图1）

图1：银河系在不同电磁波段照的照片。可见光波段的照片在第八行。（Credit: NASA）

　　宇宙中有没有我们“看”不到的地方呢？公元2015年9月14日将永载史册，因为这一天，美国的激光干涉引力波天文台（英文简称LIGO）搜寻到了一个来自宇宙深处的信号。这个引力波信号不是“看”到的，是“听”到的。

　　引力波是广义相对论的预言。通俗的来讲，引力波就好像时空中的涟漪：时空受扰动后，这种扰动会像波一样向外传播，传播的速度是光速。引力波带来的效果之一就是使两点间的距离有规律的振荡。正是通过精确测量地球上两点间距离的变化，LIGO才探测到了引力波。这是一项艰巨的任务，因为这些引力波造成的扰动幅度大概在10-21这个量级。也就是说，即使有一把1000公里的尺子，引力波通过的时候，尺子长度的变化也仅有一个质子那么小，更何况LIGO的两个探测器都只有4公里长。

　　探测引力波为什么要靠“听”呢？我们的耳朵之所以能听到声音，就是因为鼓膜对空气的振动作出响应。空气振幅越大，声音听起来越响。而我们的眼睛之所以能看见物体，是因为视网膜对光子作出响应。单位时间内撞击视网膜的光子越多，物体看起来越明亮。因为引力波天文台探测的是引力波的振幅，而不是引力波的流量，所以工作原理更像用耳朵听声音。

　　什么样的天体能被引力波探测器“听”到呢？正如人耳听不到特别微弱的声音一样，引力波探测器的听力也是有极限的。只有足够“响亮”的引力波源，才能被“听”见。从原理上来说，这些天体基本都要满足以下四个条件。

　　1、质量大。这就是为什么虽然车祸也产生引力波（振幅大概在10-41左右），但是研究引力波的专家一般不关心它们，除非有卡车直接撞在了引力波天文台的外墙上（这样的乌龙事件真的发生过）。

　　2、尺度小。太阳的质量是2x1027吨，水星是3x1020吨。即便这两个质量看上去已经很大了，但我们还是很难测量到太阳-水星这个系统辐射的引力波，原因就是水星到太阳的距离有六千万公里，这个系统的尺度太大了。

　　3、形状不对称。和太阳比起来，中子星更重，尺寸也小多了。但是单个中子星还是难以产生强的引力波，原因就是中子星太圆。这也是为什么今天我们还没有探测到中子星自转产生的引力波。

　　4、距离不太遥远。关于这一点，大家下次接电话的时候把听筒拿的离耳朵远一点就有体会了。

　　宇宙中能够同时满足上面四个条件的天体并不多。在科学家“提名”的候选天体中，两个黑洞合并是排名比较靠前的。果然，第一起引力波事件就是双黑洞合并事件。不过，让大多数天文学家大跌眼镜的是，我们第一次“听”到的黑洞竟然和以前“看”到的完全不一样。

　　在“看”宇宙时代，我们发现了一类比太阳重10倍左右的黑洞，它们都寄居在一种叫做“X射线双星”的天体中。天文学家推测，这类黑洞应该是大质量恒星死亡后留下来的遗骸。在教科书中，这类黑洞被称为“恒星级黑洞”。在学术会议上，天文学家经常一本正经的说：“众所周知，大质量恒星死亡后会形成黑洞，其典型质量是10倍太阳质量。”

　　LIGO“听”到的第一起双黑洞合并事件就颠覆了天文学家对恒星级黑洞的定义。在这次事件中，一个黑洞比太阳重36倍，另一个比太阳重29倍！这样重的黑洞，在X射线双星中前所未见。一时间，整个天文届为之震动。上面那句“众所周知”，从此也在学术圈销声匿迹了。

　　天文学家为什么相信LIGO探测到了超重的黑洞呢？换句话说，从引力波怎么就能够得知黑洞的质量呢？答案就在引力波的频率上。引力波的频率直接反映了两个黑洞相互绕转的快慢。粗略来说，黑洞越重，合并前两个黑洞绕转地就越慢，因此引力波的频率也越低。反之，黑洞越小，产生的引力波频率越高。通过频率的高低，我们可以判断黑洞的大小，正如通过音调的高低，我们可以辨别小提琴和大提琴的声音一样。

　　截止到2018年底，LIGO和欧洲的Virgo探测器通过联合观测，又搜寻到了9起比较确信的双黑洞合并事件，外加一起双中子星合并事件。在这9起双黑洞合并事件中，7起都含有超重黑洞，有些黑洞在合并后甚至重达80倍太阳质量。（图2）

图2: 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。（Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky）

　　为什么这类超重黑洞从没在X射线双星中被“看见”过呢？超重的黑洞究竟是怎么形成的？它们真的是大质量恒星死亡后的产物吗？我们“听”到的确实是超重双黑洞的“原声”吗？有没有可能是“失真”了的声音呢？还有其他方法能够证明超重黑洞的存在吗？关于这些问题，天文学家还没有明确的答案。

　　但有一点是大家的共识，那就是，人类观察宇宙的“默片”时代已经终结了。我们步入了“有声电影”时代，下一步自然是要提升视听感受。在“听觉”方面，通过降低引力波探测器的噪声（如LIGO/Virgo的升级计划，以及未来的Einstein Telescope），我们可以“听”得更远。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”见“立体声”，从而辨别引力波天体的方向。通过在太空搭建引力波探测器（如欧美的LISA，日本的DECIGO，中国的“太极”和“天琴”计划等），我们可以“听”到更加低沉的“bass”，从而找到宇宙中更遥远、更重的黑洞。这些工作，都在陆续地展开。

　　中国人有句话，叫做“兼听则明”。这里调整一下标点，兼“听”则明，拿来比喻今天的引力波天文学，恰好合适。

　　作者：陈弦，系北京大学物理学院天文系助理教授，长期从事和黑洞附近的动力学有关的理论研究，对辐射引力波的天体尤其感兴趣。