叒見引力波 30億年前一場用時0.1秒的大事件-中國科普博覽
出品 | 科普中國
製作 | 黑洞來客 苟利軍 黃月
引力波無疑是2016年科學界最大的新聞之一。
2016年2月和6月，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉儀引力波天文台）和Virgo（室女引力波探測器）科學組織聯合，先後公開宣佈了兩次探測到的引力波事件，街頭巷尾都在議論着引力波，這被認為是科學史上100年來的最大突破。
此後一段時間裏，關於探測到更多引力波事件的謠言不斷出現，但並未得到官方的確認。5月31日，在距離上次發佈會近一年之後，LIGO和Virgo科學合作組織舉行了一次內部媒體發佈會，正式確認了第三次引力波事件。
圖1：雙黑洞合併模擬
在大眾傳媒中間，引力波似乎已成為一個過氣話題，而對於科學家們來説，對於引力波的探索和研究才剛剛開始。
LIGO發言人大衞·舒梅克（David Shoemaker）在發佈會上説，他期待着，十年之後，引力波領域的新發現將超出我們的想象。
黑洞來客團隊以自由撰稿人的身份申請旁聽了這次內部發佈會，這一次，人類又發現了哪些宇宙的小秘密呢？
一次略顯神秘的“秘密發佈會”
雖然發佈會的召開時間是北京時間5月31日深夜，但今天並沒有什麼關於引力波的新聞見諸報端。
原因有二：
一來，之前兩次發佈會都採用了視頻直播的方式，聲勢浩大。
圖2 此前兩次視頻發佈會是這樣式兒的（圖片來自網絡）
這次則選擇了更為方便的電話會議，參會人員不必專程聚集到某一個地點；這也表明了引力波探測事件的日常化，隨着探測靈敏度的提高，將有越來越多的引力波事件被發現，隆重的視頻發佈會已不再必要，除非發現全新的天文現象。
二來，依據主辦方規定，關於此次新聞發佈會的報道須在24小時後才能發佈，也就是北京時間6月1日23時之後。
不僅如此，為了保證內容不被提前透露，這次發佈會採用了邀請加入的方式（RSVP），須事先得到組織方的加入指南，才能進入電話會議中。黑洞來客團隊以自由撰稿人的身份申請旁聽，很快獲得回覆和批准。在進行連接和登記之後，我們進入了這場“秘密會議”的“大廳”。
麻省理工學院教授大衞·舒梅克是新當選的LIGO發言人，他首先宣佈advanced LIGO（簡稱aLIGO，原來激光干涉引力波天文台的升級版）發現了來自兩個黑洞合併的新引力波源GW170104，以及本次新發現引力波事件的基本特徵。
與之前的LIGO相比，改進後的aLIGO靈敏度更高，探測範圍更遠。
它於2015年9月開始正式運行，在2016年年初結束了第一期的運行。在此期間，它探測並確認了我們此前熟知的兩個引力波事件——GW150914和GW151226。
經過短暫的修整和調試，aLIGO從去年11月30日開始第二次運行，預計今年8月份結束。在第二次運行過程中，aLIGO發現了此次公佈的GW170104事件。此時距離上一個引力波確認事件，已過去了一年時間。
相隔時間看似漫長，但從LIGO官方主頁我們可以看出，aLIGO在此次運行過程中已探測到了6例引力波新事件，平均每月一次！只不過其它更多數據還在分析和驗證中。
30億年前一場用時0.1秒的大事件
黑洞看似神秘，實為宇宙間最為簡單的一類天體。
為什麼這麼説？因為通常我們只需三個量（質量，自轉和電荷）就可以描述一個理論上的黑洞，物理學家把這稱為“三毛定理”（或“無毛定理”）。
對於宇宙當中真實存在的黑洞而言，描述就更為簡單，只需要質量和自轉兩個量。（因為黑洞周圍通常存在着自由電荷，即使黑洞本來帶電荷，也很容易達到中性。）
科學家們通過引力波測量黑洞的質量和自轉，有着非常大的優勢。一旦測量到了引力波，通過波形比對，我們就可以知道黑洞合併前後的這些物理量的大小了。
圖3 觀測到的引力波頻率演化圖和形變演化圖
通過比對此次觀測的波形和不同參數模型，LIGO的科學家們得出結論：此次發現的引力波事件和之前的兩例類似，也是來自於兩個黑洞的合併。
在合併之前，兩個黑洞的質量分別為31.2和19.4個太陽質量，合併後產生了一個48.7太陽質量的黑洞。黑洞合併的一瞬間，以引力波的形式釋放出了近2個太陽質量的能量，那一刻所產生的能量要比整個宇宙中所有恆星釋放出來的能量之和多幾十倍。
這次氣勢恢弘的黑洞合併被LIGO在兩個不同地方的探測器（分別位於Hanford和Livingston）同時觀測到了，Hanford早探測到了3毫秒。整個信號過程只持續了短短的0.1秒。
這場合併發生在距離我們30億光年的地方。自事件發生起，經過了宇宙間30億年的傳播，才最終抵達我們的地球。LIGO之前探測到的兩個事件，分別位於13億和14億光年之外。
這也説明了aLIGO運行狀態良好，甚至可以説是超常發揮了。因為按照之前的估計，aLIGO應該最遠可探測到23億光年之外由兩個30太陽質量黑洞合併的信號，而這次的30億光年遠遠超出了科學家們的預估。
認識黑洞的一塊重要拼圖
相較於此前兩次熱鬧的引力波事件，這次發現有什麼重大意義嗎？對科學家們來説，意義不小。
如果你還記得的話，之前的兩次黑洞合併，最後形成的黑洞的質量分別62（第一次）和21（第二次）個太陽質量。在LIGO探測到黑洞之前，單純從理論的角度計算，宇宙中很難產生高於20個太陽質量的黑洞。
即便是從觀測角度看，我們在電磁波段看到的最大質量黑洞也只有15個太陽質量，所以人們通常認為，更高質量黑洞在宇宙中是不存在的。
然而，LIGO給了我們一個驚喜！
更大質量的黑洞的的確確存在於我們的宇宙之中。在這次探測中，人類又發現了49個太陽質量的黑洞，進一步確認了更高質量黑洞的存在，擴大了我們對於黑洞的認知。
圖4：引力波探測到的黑洞（藍色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。圖中綠色的是新探測的黑洞系統GW170104。引力波探測到的黑洞（藍色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。新探測的黑洞系統GW170104用綠色標出。
此外，藉助此次引力波事件，科學家們也對黑洞的自轉做出了限制。
在天文學中，我們通常使用一個介於0-1之間的數值，來表示黑洞轉動的快慢。數值0意味着沒有任何轉動，1對應着黑洞視界面上的轉動速度為光速。
限於數據質量的精度（誤差較大），科學家們目前僅對合並後的黑洞轉動快慢做出了限制，數值約為0.64，即黑洞視界面的轉動速度約為光速的一半。
儘管對於合併之前黑洞的轉動未做出很好的限制，但通過模型比對，我們至少可以知道，兩個黑洞都存在着所謂“進動現象”（precession），也就是説，黑洞自身轉動方向和兩個黑洞繞轉的軌道平面並不完全一致，存在着一定夾角。
我們最為熟悉的“進動現象”，莫過於小時候玩過的陀螺——陀螺飛旋，除了自身的轉動之外，還會圍繞一個大圈進行繞轉，這種自傳物的自轉軸又繞着另一軸旋轉的現象，便是進動了。
而且，這一大事件還幫助科學家對雙黑洞系統的形成機制做出了限制。
目前有兩種不同的理論，用以解釋雙黑洞的形成：其一是原生雙星系統，即兩個大質量恆星誕生之初就在一起，之後一同演化到老，最終形成雙黑洞系統；根據觀測估計的話，銀河系中有一半恆星處於雙星系統當中，所以這種形成機制還是很有可能的。
另外一種形成機制是雙黑洞形成於星團當中，最初的系統本來是一個黑洞和一個正常恆星，當該系統碰到另一黑洞時就會形成三體系統，恆星質量通常比黑洞小很多，所以恆星會被大質量的黑洞替換掉踢出系統，從而由原來的單黑洞系統變為雙黑洞系統。因為星團中心通常比較緻密，這種可能性也很大，無論是從理論還是數值模擬，都已證明了這一現象的發生。
那麼，到底哪一種雙黑洞系統的產生機制更靠譜呢？
按理論預計，原生雙星系統誕生於同一片星雲，兩個黑洞的有效旋轉方向和軌道運動方向通常是一致的。對於第二種交換方式而言，兩個黑洞的旋轉方向無需一致，可以指向任何方向，從而導致兩黑洞整體的有效旋轉方向和軌道運動方向不一定一致。
此次引力波觀測擬合結果由此投出了重要一票：兩黑洞的有效旋轉方向和系統軌道運動方向不一致，傾向於第二種形成機制，是通過交換方式產生了雙黑洞系統。
一條引力波研究的漫漫長路
驚喜不少，遺憾也還是有的。
因為實在太過遙遠，我們看不到黑洞合併所在的星團，甚至連引力波所在的星系都沒看到。主要原因在於目前引力波的定位還是很差，畢竟幾百平方度的範圍之內包含着多達幾十萬個星系。
今年秋天，歐洲的Virgo探測器將一起加入觀測，我們到時就有了三個探測器，觀測的空間精度將會大大提高。
當然，最理想的情況是引力波源能有對應的電磁波輻射，我們就能夠同時進行多信使（比如，X射線或者光學）的觀測，從而精確確定其發生的空間位置。
LIGO每次探測到引力波事件，都會及時將相關信息發送給合作伙伴，到目前為止，還沒有觀測到任何電磁對應體。黑洞系統在合併之前已不存在什麼氣體，所以不會產生任何電磁輻射，三次探測結果也向我們證明了這一點。
但我們還有機會。
並非所有人類能夠探測到的引力波都來自沒有任何其它輻射的黑洞合併。雙中子星合併、中子星與黑洞合併，以及超新星爆發等等，都會在產生引力波的同時產生電磁輻射。只不過受限於靈敏度，我們還沒觀測到而已。
可以確定的是，接下來隨着探測能力的提高和更多引力波望遠鏡的建立，我們肯定會看到來自其它天體的引力波以及他們的對應體。
眼下，美國和歐洲的引力波天文台正主導着引力波的觀測工作，隨着LIGO探測的推進，中國的引力波研究也隨之進入了一股前所未有的熱潮。
在理論研究的同時，中國也在積極推動直接探測引力波的望遠鏡項目。
目前，太極計劃和天琴計劃這兩個空間項目正各自推進，將於地面探測原初引力波的阿里計劃已通過立項，並開始建設。
除此之外，中國還準備利用剛剛建好的500米射電望遠鏡（FAST）和正在建設的平方公里陣（SKA），以脈衝星計時陣的方式探測引力波。
引力波探測之路漫漫其修遠兮。在昨晚的發佈會上，有聽眾向科學家提出了這樣的問題：你期待10年之後LIGO或引力波天文學能做出什麼新發現呢？大衞·舒梅克回答道：“我期望着能有完全意想不到的、完全超出我們的想象事件的發生。”
宇宙就是這麼奇妙，引力波已經向我們證明了這一點，還將繼續證明給我們看。