自2015年首次探测到引力波以来，科学家们渴望探测到这一全新的天文宝藏，并分析隐藏在其中的宇宙故事。目前已经确认的引力波事件超过90起。科学家们从中获得了哪些信息？需要回答哪些新问题。在这篇推文中，让我们跟随作者的笔迹，先一睹引力波的发现历史，然后竖起耳朵，睁大眼睛，感受引力波的未来。作者|陈贤(北京大学)编辑|韩越洋、卢昊然01什么是引力波？向平静的湖面扔一块石头，湖水会泛起涟漪，因为石头扰动了水面。同样，把一团物质扔进时空，也会在时空中掀起波浪。这就是爱因斯坦广义相对论给出的预言：物质可以弯曲时空。根据广义相对论，弯曲的时空可以产生引力。正是因为这个原因，人们把时空的波动称为“引力波”。扰动水面可以激起水波；扰动时空可以激发引力波。图片来源：Pixabay02如何探测引力波？我们之所以能看到水波，是因为我们可以离开水面，观察它的弯曲和起伏。抽象一点，就是因为我们可以跳出水面的二维平面，上升到三维空间去观察水波的影响。但是引力波是在三维空间中传播的，所以我们生活在其中，没有办法在这个维度之外进行任何观测。如何才能探测到引力波的存在？我们可以先想想生活在水上的虫子。假设它们很小，以至于看不到水外的任何东西。其次，他们的视力有限，只能看到近距离的物体。这种生活在二维平面的小生物有机会察觉到水面的波纹吗？答案自然是肯定的。他们可以观察水面上的其他昆虫。水波经过时，弯曲的水面会使昆虫之间的距离发生变化。可以想象，那时候，虫子会惊讶地发现，自己的邻居突然变得疏远，飘忽不定。蠕虫的方法实际上是人类探测引力波的方法。不过在解释具体的检测方法之前，还有一个重要的问题需要回答。03为什么要探测引力波？千百年来，人类早已习惯用眼睛观察世界。今天的大型天文望远镜是人类视觉的延伸，是我们观测宇宙的巨眼。那为什么要花巨资建造引力波探测器呢？因为收到的消息不一样。探测引力波更像是用耳朵听声音。用耳朵可以感受到空气的震动，震动幅度越大声音越大。有了引力波探测器，我们希望听到时空的振动。这种振动的幅度越大，探测器反馈的信号就越重要。如果说望远镜让我们接收来自宇宙的短消息，那么引力波探测器接收的就是来自宇宙的声音。没有引力波探测器，天文学家似乎失去了听力。仅仅依靠望远镜来“看”宇宙，就像捂住耳朵，在黑暗的森林中探险。别误会，这种“无声”的探索不一定是平淡的。事实上，我们仍然可以看到奇怪的古树，小动物在森林里穿梭，鸟儿在树枝间跳跃。这样的森林也足够有趣。放开你的耳朵，打开你的听觉，那么我们就会听到树叶的沙沙声，小动物的沙沙声，鸟儿的啁啾声。也许有我们根本看不到的猛兽，在森林深处咆哮。这不是更刺激吗？这就是我们探测引力波的目的。你为什么等了一百年？早在1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在。但直到2015年，我们的引力波探测器才发现了确凿的信号。为什么探测引力波这么难？为什么要等一百年？主要是因为产生引力波的天体非常遥远。
所以引力波到达地球的时候已经衰减的相当厉害了，它的振幅只有前10，也就是0.000000000000001，小数点后面有20个零！如果要按照表面bug的方法来探测引力波，即使能在地球上造一把上千公里的尺子(大致相当于北京到上海的距离)，当引力波经过时，尺子的长度也会发生一个原子核大小(十亿分之一微米)的变化。可想而知，造这么高精度的尺子有多难。不可思议的是，科学家和工程师们已经实现了这样的观测规模：他们实际上已经建造了一把相当于几千公里的尺子，通过激光干涉来测量一个原子核的长度变化。目前地球上有四个探测器可以探测到10量级的引力波。虽然每个探测器自带的“尺子”(称为“激光干涉臂”)只有3到4公里，但我们可以通过让激光折返运行数百次，将尺子的有效长度增加到上千公里。目前利用激光干涉原理在地面探测引力波的仪器有美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的两台探测器(左上和右下)，意大利建造的Virgo激光干涉引力波探测器(左下)，日本2020年刚刚发射的KAGRA引力波探测器(Kagra，建造在地下矿井中以减少地面振动的干扰，右上)。图片：LIGO-处女座-卡格拉合作05 LIGO到底探测到了什么？2015年，在爱因斯坦提出引力波几乎一百年后，LIGO终于率先探测到了引力波信号[1]。9月15日，两台LIGO探测器的激光干涉臂几乎同时抖动。排除所有其他可能性后，剩下的唯一选择就是引力波。2015年9月15日，美国华盛顿州(左)和路易斯安那州(右)的两台LIGO探测器窥探到了同一个信号：激光干涉臂在不到0.15秒的时间内抖动了几次(第一行)，抖动的幅度和频率随时间急剧增加(最下面一行)。这个信号和引力波模型的预测结果(第一条线和第二条线)几乎一致，两者几乎没有差别(第三行为残差，波动越小差别越小)。图片：Virgo处女座科学合作我们真的探测到引力波了吗？让我们仔细看看这个信号。在不到0.15秒的时间内，LIGO探测器抖动的幅度和频率随时间急剧增加。这一现象与两个黑洞的合并过程基本一致。因为：(1)引力波会带走能量，两个相互环绕的黑洞必然会越来越近，越来越快。这解释了为什么频率上升。(2)随着黑洞轨道的收缩，引力波辐射变强，这也解释了为什么振幅越来越大。上述两个特征与鸟类啁啾的特征非常接近，所以这种引力波信号被称为“啁啾”。最终，两个黑洞合并成一个更大的黑洞，一切终究归于平静。观测结果符合理论预期，这次是真的！通过进一步分析数据，科学家可以还原更多细节。大约12亿年前，地球上的微生物刚刚开始光合作用，宇宙深处的两个黑洞准备好了最后的狂欢。每个黑洞的质量大约是整个太阳系质量的30倍，但如此多的物质却聚集在一个大约相当于北京大小的区域内。两个黑洞以接近光速的速度盘旋了几圈，一次比一次快，盘旋频率从几十赫兹增加到几百赫兹，最后合二为一。整个过程不到0.15秒。在如此短的时间内，相当于3个太阳质量的能量以引力波的形式释放出来，其功率相当于宇宙中所有星系的发光功率之和。在旅行了12亿年后，如此强大的引力波只够轻微地拨动LIGO探测器的激光干涉臂，使其中的光子多走(或少走)一个原子核大小的距离。
但正是这种核子大小的摆动让我们清楚地“听到”宇宙深处两个黑洞的声音。06大黑洞之谜到目前为止，LIGO和处女座已经发现了90多个引力波事件，其中绝大多数是黑洞合并[2]。发现如此多的“双黑洞”，其实是天文学家所期待的，这也是地面引力波探测器的初衷。但有一个结果一直令人困惑：这些黑洞比天文学家预期的要大，而且大得多。在发现引力波之前，天文学家通过传统的电磁波观测方法，在一类被称为“X射线双星”的天体中发现了二十个黑洞。它们的质量一般是太阳的10倍左右，最重的只有太阳的20倍。按照当时的理解，这些黑洞是大质量恒星“死亡”后的遗迹。根据预测，地面引力波探测器应该也能发现这种黑洞。但事实却出乎大多数天文学家的意料。引力波发现的黑洞大多比太阳重20倍以上，有些在合并前已经达到了太阳重量的90倍。这么大的黑洞从来没有见过！Virgo处女座探测到的大多数黑洞(蓝色)的质量都超过了太阳的20倍，有些甚至在合并前就已经达到了太阳质量的30到100倍。这比天文学家熟悉的X射线双星中的黑洞(红色)大很多倍。图片来源：美国西北大学Virgo处女座合作/亚伦盖勒。这些大家伙还是明星的遗迹吗？它们是过去合并产生的第二代还是第三代黑洞？它们会不会是通过吞噬周围的物质才长到了现在的大小？它们是在宇宙非常早期密度非常高的时候形成的吗？都有可能，但每种可能性在解决一些问题的同时，又会产生新的麻烦。这种困境并不令人沮丧，而是令人兴奋，因为新的发现往往接踵而至。07解密引力波的信息。我们真的了解引力波带来的信息吗？毕竟现在我们只能测量波的频率和振幅，而不能测量黑洞的质量。是什么原理让我们可以从引力波信号推断出黑洞的质量？以chirp信号为例，黑洞的质量可以决定基音(频率)和基音变化的速度(频率变化速度)。黑洞越重，合并最后阶段音高越低，音高越高。正是有了这个原理，我们才能对黑洞进行称重。一般来说，探测一个大黑洞就像听大提琴演奏《野蜂飞舞》(唱着节奏很快音调很低的歌)，探测一个小黑洞就像听小提琴演奏《卡农》。黑洞质量越大(对应的信号依次为蓝色、橙色和绿色)，引力波的音调变化越快，但能达到的最高音调降低。虽然原理简单，但实际应用中要考虑宇宙膨胀的影响。宇宙的膨胀无处不在，它会拉长任何在宇宙中传播的信号，导致其频率降低。对于电磁波来说，频率的降低意味着颜色变红，所以人们把这种效应称为“红移”。引力波也会因为宇宙膨胀而红移。更准确地说，是“降调”。红移(或降调)的程度与距离有关。信号源离我们越远，红移就越强。宇宙的膨胀会拉长波拉，降低它的频率。所以电磁波要“红移”，引力波要“降”。如前所述，我们可以通过音调来判断黑洞的大小。如果宇宙在膨胀，所有下落的引力波都来了，那么我们一定会测到黑洞的质量太大。换句话说，如果我们不能确定黑洞的红移，我们就不能确定黑洞的真实质量。这种纠结的关系在业内被称为“质量-红移简并”。你如何确定黑洞的距离？事实上，距离信息包含在引力波的振幅中。原因也很简单。波源越远，我们接收到的振动幅度就越小，我们“听到”的“声音”就越轻。利用这个关系和宇宙几何的知识，我们可以从引力波si推断出波源的红移
以第一次引力波事件为例。乍一看，黑洞的质量大约是太阳的30倍。进一步分析告诉我们，相对较小距离的黑洞红移约为0.1，不算太高。这个红移被用来恢复引力波的音调后，重新计算的黑洞质量是原来的0.91倍。显然，这不足以显著改变黑洞的质量，所以大多数天文学家和物理学家认为引力波发现的黑洞确实是大黑洞。听到弦外之音了吗？LIGO和处女座发现的“大黑洞”是目前引力波天文学最重要的研究对象，是许多理论研究的前提。但是很少有人注意到黑洞质量的确定是基于两个隐含的假设。(1)引力波的振幅与距离成反比。(2)只有宇宙学红移对频率有影响。大多数科学家都是根据这两个协议在看引力波的“乐谱”，但黑洞是正规的音乐家吗？最近的研究表明，假设(1)或(2)在以下两种情况下可能不成立。有趣的是，无论发生什么，我们都会高估黑洞的质量。第一种情况与引力透镜有关，打破了假设(1)。这个想法是由两个研究小组在2018年独立提出的。一个是宇宙学家、诺贝尔奖获得者乔治斯穆特教授领导的研究小组[3]，另一个是伯明翰大学的研究小组[4]。两组科学家都指出，引力波在传播过程中会穿过许多星系或星系团，这些星系或星系团可能会被它们的引力聚焦和放大。这样引力波的振幅变大，引力波变得“响亮”。因为我们习惯于把“响”和“近”联系在一起，所以会把波源误认为是近。在这种情况下，我们计算的红移因子会很低，导致估算的黑洞质量过大。如果是这样，那么引力波就会变得像声纳一样，可以让遥远的星系和星系团无处藏身。引力透镜效应会放大引力波，使得远处较小的黑洞(蓝点)听起来像附近较大的黑洞(红点)。这里横坐标是距离，纵坐标代表质量。第二个案例是由我的合作者中国科学院国家天文台研究员和北师大教授曹在2017年发现的。它针对的是假设。这份工作直到2019年才被专业期刊接受并发表[5]。或许文章的结论在当时过于煽情。我们意识到，除了宇宙学红移，天文学研究对象往往伴随着“多普勒红移”和“引力红移”。多普勒红移是波源高速运动引起的频移现象，而引力红移要求波源处于较深的引力势中。我们梳理了各种双黑洞的形成机制，发现在“超大质量黑洞”旁边形成了一类双黑洞。这些超大质量黑洞的重量可以比太阳重一百万到几十亿倍，它们通常可以在星系中心找到。比如银河系中心有一个大黑洞，质量约为太阳的400万倍(这一发现被授予2020年诺贝尔物理学奖)。超大质量黑洞周围的引力势很深，那里的天体必须高速运动，才不会掉进黑洞。那里形成的双黑洞自然具有很高的多普勒红移和引力红移，它们发出的引力波下降得更厉害。如果忽略多普勒红移和引力红移，只考虑宇宙学红移，我们听了这么低的引力波，会误以为黑洞质量挺高的。况且为了匹配振幅，我们会认为这个(假的)“大黑洞”离我们很远。并且多普勒引力红移会使引力波信号更深，导致附近的小黑洞(蓝点)听起来像远处的大黑洞(红点)。更有趣的是，如果这个想法是正确的，那么我们可以在小黑洞的引力波中寻找超大质量黑洞的印记。这个印记可以告诉我们广义相对论是否仍然正确
鉴于其重要性，越来越多的科学家开始重新思考独立的方法来检查引力波的测量结果。有趣的是，传统的天文观测方法可能会有很大的帮助。比如我们可以在引力波的方向上寻找具有引力透镜效应的星系或星系团。例如，我们可以尝试搜索引力波源发出的电磁辐射，利用这些“电磁对应体”来确定波源的真实红移。在某些情况下，我们甚至有机会接收到引力波天体释放的高能粒子。这种结合多种天文手段观测引力波天体的研究模式，有一个时髦的名字，叫做“多信使天文学”。走了很久，我们还是希望“看到”引力波天体。中国人常说“耳听为虚”，但有时也说“耳听为虚，眼见为实”。现在想来，充满了智慧。参考文献：[1]“从一个双星黑洞合并中对地理波的观测”，https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016ApJ LIGO/处女座合作，2016，物理评论快报，116，061102.818L.22A/摘要[2]LIGO/室女座致密双星catalog : http://catalog . Cardiff gravity . org[3]“将低频LIGO/室女座事件重新解释为宇宙距离上放大的恒星质量黑洞”，Broadhurst，t .Diego，J. M. Smoot，G. III，2018，arXiv:1802.05273[4]“如果LIGO的引力波探测被大质量星系团强透镜化会怎样”，Smith，G. et al .2018 英国皇家天文学会月刊，485，L141 (2017预印本：)作者简介陈冼，北京大学物理研究所天文系助理教授，同时受聘于北京大学天文与天体物理研究所。 长期研究黑洞周围的动力学和辐射过程，近年来专注于空间引力波探测项目相关的科学研究。转载内容仅代表作者观点，不代表中国科学院物理研究所立场。原标题：面对引力波，人类需要“倾听一切”|赛老师天文学来源：赛老师编辑：加勒特
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