引力波天文學開啓黑洞研究新紀元_風聞

原創：牧夫天文

編譯：雷豐圖

改編自：https://www.space.com/black-hole-symphony-gravitational-waves.html，https://www.youtube.com/watch?v=-5Vv9oxOP1M

校對：牧夫天文校對組

編排：雷豐圖

後台：庫特莉亞芙卡 李子琦

黑洞是宇宙中最迷人的天體之一，但同時也是最難以捉摸的，它們異常緻密，以至於光都無法逃脱。為了進一步研究黑洞背後的秘密，科學家們轉向了一個新興的領域：引力波天文學。

引力波是超大質量天體造成時空的扭曲或者“漣漪”。在2015年，天文學家第一次用激光干涉引力波天文台（LIGO）探測到引力波。這次引力波是由一組雙黑洞系統（兩個互相環繞的黑洞）劇烈地相撞形成的。

激光干涉引力波天文台，每一個都帶有兩個4千米長的臂並組成L型，它們分別位於相距3000千米的美國南海岸Livingston和美國西北海岸Hanford。每個臂由直徑為1.2米的真空鋼管組成。

Credit：MIT News

範德堡大學天體物理學家、該項目的主編卡蘭·賈尼(Karan Jani)向媒體介紹：“剛加入LIGO時，我就意識到之前用廣義相對論模擬黑洞模型的經驗可以應用到中等質量黑洞的搜尋當中。”

中等質量黑洞介於超大質量黑洞(超過太陽的一百萬倍)和恆星級黑洞(質量相對較小，太陽質量的5-50倍)之間。“中等質量黑洞對於開創引力波天文學的十年有着特殊的含義。從我們已知的天體中， 它們所釋放的引力波最容易被LIGO 和LISA (激光干涉空間天線)探測到。通過這兩種方法，我們能夠監視宇宙中近乎所有的中型雙黑洞系統。”

中等質量黑洞是宇宙中最難判斷的天體之一。

Credit：中國數字科技館

但是，天文學家們還未能直接探測這些中型黑洞。他的方法是通過黑洞所釋放出的引力波中不同的振動頻率來研究它們的活動。正如交響樂團演奏時的聲波擁有不同頻率，黑洞所釋放出的引力波也存在不同的頻率，有些頻率的帶寬極大，有些卻相對較小。在引力波研究的下一個階段，我們的目標將是捕捉不同頻率的信號來聽一首來自黑洞的“完整樂曲”。

中型黑洞也被認為是超巨型黑洞的種子。舉個例子，黑洞通常靠吞噬其他黑洞來“成長“。在黑洞周圍會形成一圈被捕捉的物質，也就是吸積盤，強大的引力會吸引住周圍的氣體、恆星、甚至是另一個黑洞。任何物質在太過靠近時會掉入事件視界，就此永久留在黑洞裏而無法逃逸。每當中型黑洞將另一個黑洞困在自己旁邊時，其引力場就會出現擾動，LIGO因而能夠通過這一擾動來判斷髮生的事件。

雙黑洞系統引力波示意圖

Credit: 新浪

由歐空局和美國宇航局合作的LISA預計將於2034年發射，將會是第一個搜尋引力波的太空探測器。LISA的任務是探測並對低頻率的引力波進行精確測量。這種程度的測量是地球上所不能進行的。在地球上，即使是一輛路過的車輛所引起的震動都會影響探測器的準確性。通過LISA，我們可以在中型黑洞撞擊的幾年前就開始監視，這種引力波是直接由事件視界外時空扭曲造成的。與無線電波或X射線不同的是：引力波所傳遞的信息在穿行數光年的途中不會丟失一分一毫。

因此，在結合了LIGO觀測的高頻段引力波以及後續LISA測量的低頻段引力波信息，科學家們有希望填充當前對黑洞認知的空白。

LISA概念圖。

Credit：Telescoper

引力波的提出可以追溯到牛頓時期。在提出萬有引力後，人們發現經典物理所形容的引力似乎是一種超距作用，然而超距作用並不能説服科學家們，因而拉普拉斯率先提出，引力是通過引力場傳播的。

時間來到十九世紀，大名鼎鼎的麥克斯韋方程組問世，預測了電磁波的存在還證實了電磁波是有速度的（光速），因此電磁力並非是超距作用。那麼，正如電磁力是由電磁場傳播的，而電磁場（電荷）的震盪會形成電磁波，引力也是由引力場傳播的，那麼物質的振盪是否也會產生相應的“引力波”。至此，引力波的概念正式形成。

引力場概念圖

Credit：知乎論壇

此後，經典物理幾乎再也沒有用武之地，因為牛頓時代的質量和能量並不能劃等號，能量守恆和質量守恆是兩個分開的定律。人們可以理解電磁波的原因是因為電本身就是能量，能量的振盪產生攜帶能量的電磁波，邏輯上來講沒什麼問題。但是突然説物質的振盪也能產生攜帶能量引力波，這就很難想象。

1905年，愛因斯坦提出狹義相對論，提出質能等價，再次為引力波的存在提供了可能。十年過去後，愛因斯坦再次提出了一個可以共同描述物質和質量的場方程，這就是廣義相對論。從此以後，理論上的引力波徹底定義完成，但是在實驗上真正探測到引力波卻得等到100年後的2015年，在數代人的努力之後，LIGO終於在2015年9月14號採集到了13億光年外兩個黑洞合併時所產生的引力波。

與電磁波不同，引力波為柱面波，因而激光干涉儀可以通過激光形狀的改變來對引力波進行探測和測量。

Credit：知乎專欄

再回到引力波本身上，在各種宇宙射線和輻射中，為何只有引力波能夠突圍而出呢？正如前面所説，物質的振盪產生攜帶能量的引力波，但是物質原本情況下是沒有動能或勢能的，這看上去好像不符合能量守恆。這就是狹義的偉大之處，正是因為質能統一，引力波所攜帶的能量其實是運動時物質所損失的質量（物質振盪時會損失一定的質量，但是振盪幅度必須足夠大才能產生足以被探測到的質量丟失），所以引力波恰恰是能量守恆的產物。由此，在13億年前，一個質量為29個太陽質量和一個質量是36個太陽質量黑洞在不斷接近的過程中高速繞對方旋轉，導致整個系統的物質劇烈振盪，最終合併成一個62個太陽質量的大黑洞，而3個太陽質量的能量通過引力波的形式傳播，經過13億年的旅程來到地球，才被精密度極高的LIGO探測到。

『天文時刻』 牧夫出品

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藝術家所繪的高清黑洞概念圖

Credit：NASA

封面圖Credit：K. Jani/M. Kinsey/M. Clark/Georgia Institute of Technology