引力波發現的這五年｜“聆聽”遙遠宇宙的奧秘_風聞

2016年2月11日，美國的激光干涉儀引力波天文台（LIGO）公佈了本世紀以來人類最重要的科學發現之一：引力波。這個被命名為GW150914的信號，於2015年9月14日由兩台LIGO探測器所紀錄，起源於14億光年之外的兩個約30倍太陽質量的黑洞的劇烈碰撞和併合。

五年以來，LIGO和歐洲的Virgo引力波探測器陸續發現了50例引力波信號。如今，引力波發現已成常態化，探測器運行期間基本上每週都有新發現，甚至為了區分同一天探測到的多個事件，天文學家必須在引力波信號名稱的探測日期後加注“時分秒”。

緻密雙星併合系統的形成

LIGO和Virgo發現的50例信號均來自於兩顆緻密天體的繞轉和併合。這種緻密天體，中子星或黑洞，是大質量恆星生命最後關頭以超新星爆發的壯烈過程生成的。為了形成LIGO-Virgo探測到的緻密雙星併合系統，通常認為有兩種方式。

第一種方式起始於一個包含兩顆大質量恆星的雙星系統，兩顆星先後經歷超新星爆發而產生兩顆緻密天體。這種過程的關鍵是：雙體系統必須扛住兩次超新星爆發而不至於被拆散，而且形成的兩顆緻密天體間距要足夠近，這樣引力波的輻射才能驅動它們繞轉直至最終併合。

第二種方式發生於那些包含大量緻密天體的稠密星團中。在這種“擁擠”的環境下，兩顆原來不相干的緻密天體可能隨機地遇上彼此而結成一對。球狀星團就是這樣一類環境，其中心區域的恆星密度很高，兩顆恆星之間可能僅僅相距一個太陽系的尺度。當星團中某顆大質量恆星率先形成一個黑洞，這個黑洞由於質量大而體積小可能迅速沉入星團中央。接下來這個黑洞再經歷一系列的二體、三體甚至多體相互作用，最終找到另一半（黑洞或中子星）。

黑洞和中子星的質量與自旋

根據引力波的觀測可以推斷出黑洞或中子星的質量和自旋。目前LIGO-Virgo探測到的50例信號中，雙黑洞併合事件佔據絕大多數，還有2例雙中子星併合，1例中子星-黑洞併合，另有1例尚不清楚是兩個黑洞併合還是中子星-黑洞併合。

在引力波被發現之前，通過X射線雙星的觀測（如：天鵝座X-1）發現的一些黑洞，其質量大約在5至15倍太陽質量之間。因此，五年前公佈的GW150914顯示併合的兩個黑洞達到了30倍太陽質量，讓很多天文學家大為吃驚。

圖2. 已知中子星和恆星級黑洞的質量分佈。藍色和橙色代表引力波觀測，紫色和黃色代表電磁波觀測。由於中子星和恆星級黑洞是大質量恆星死亡的產物，本圖被戲稱為“恆星墳場”上的質量分佈

關於恆星級黑洞，存在兩個所謂的“質量間隙”。在3至5倍太陽質量之間，電磁波段的觀測沒有發現如此小質量黑洞的明顯證據，而中子星的質量又普遍認為不超過3倍太陽質量。另一方面，有理論認為，某些超大質量的恆星（質量約為130至250倍太陽質量）由於核心內部正負電子對的產生，引發劇烈且不穩定的熱核爆炸。這一過程可以將恆星完全毀滅，不留下任何東西（包括黑洞）。這種“不穩定對超新星”現象導致了質量在50至150倍太陽質量之間的黑洞的缺失。

原則上，分析數十顆LIGO-Virgo黑洞的質量可以較好地定出黑洞的最大和最小質量。但是，有 2個特殊事件讓天文學家很為難：GW190521和GW190814。

首先，GW190521的兩個併合黑洞分別達到了85和66倍太陽質量（位於“不穩定對超新星”質量間隙），併合後形成一個140倍太陽質量的“中等質量”黑洞（質量大於100倍太陽質量而小於星系中心的超大質量黑洞）。假如GW190521的兩個黑洞是所謂的“黑洞二代”（即各自分別由兩個更小質量的黑洞併合而成），將它們排除後發現最大黑洞質量約為52倍太陽質量，基本與“不穩定對超新星”理論預言吻合。

圖3. LIGO和Virgo探測到的最大質量雙黑洞併合事件，GW190521，有可能是兩個“黑洞二代”之間的併合（圖源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt）

其次，GW190814的兩個併合天體分別為23倍和2.6倍太陽質量，其中“小個兒”可能是最小質量的黑洞或最大質量的中子星。兩種可能性都給當前中子星和黑洞的認識帶來了挑戰。如果它真是一個黑洞的話，那麼3至5倍之間的黑洞質量間隙就不復存在了。如果它是一顆中子星的話，一方面引力波測出的最小黑洞質量在6倍太陽質量左右（跟X射線雙星觀測吻合），另一方面對中子星物態方程的研究提供了新方向。

利用引力波對緻密天體的自旋進行測量，雖然沒有質量測量那麼精準，還是可以提供一些有趣的信息。簡單而言，由孤立的大質量雙星演化而成的緻密雙星，兩顆天體的自旋跟雙星軌道平面垂直（又稱“自旋對齊”）；而在稠密星團中經動力學演化形成的緻密雙星，兩顆天體的自旋方向可能是完全隨機的。

分析LIGO-Virgo的雙黑洞自旋測量後，可以發現並不是所有的黑洞自旋方向都跟雙星軌道對齊，甚至有的黑洞自旋可能跟軌道方向相反。這説明很可能有一部分雙黑洞是動力學演化形成的。

多信使天文學的誕生

相比於黑洞併合，雙中子星併合和中子星-黑洞併合有個更引人注目的地方：它們可能同時發出引力波、電磁波甚至中微子。2017年8月17日發現的第一例中子星併合，GW170817，滿足了天文學家對“多信使天文學”的幾乎所有期待。

在兩個中子星合併後1.7秒，在與引力波源頭方向一致的方位發現了一例伽馬射線暴。LIGO和Virgo三台引力波探測器的觀測將信號源的方向鎖定在31平方度的天空範圍內，距離地球大約1.3億光年。引力波和伽馬射線的關聯探測引起了地球上和太空中幾乎所有天文觀測設備的興趣。在中子星併合11小時後，光學望遠鏡率先在NGC 4993星系方向發現了一個異常的亮光。隨後，天文學家在紫外、紅外、X射線和射電波段都觀測到了相應的電磁信號。這是GW150914之後的又一例劃時代的發現，從發現公佈之日至今，平均每天有超過3篇論文在研究它！

圖4：通過引力波和伽馬射線對GW170817的天空定位，以及光學對應體的發現

（圖源：B. P. Abbott et al 2017, ApJL, 848, L12）

雙中子星併合的引力波信號包含中子星潮汐形變的信息。遺憾的是，這些信息發生在相對高頻，也就是雙星繞轉接近併合階段，頻率高於幾百赫茲。在這一頻段內，目前的LIGO-Virgo探測器的靈敏度已經顯著下降。因此，當前的引力波探測難以通過潮汐形變來區分中子星和黑洞（注：理論上黑洞沒有潮汐形變）。從GW170817的引力波觀測可以得知兩顆併合天體的質量約為1.4倍太陽質量，在典型的中子星質量範圍內。當然，由電磁波段的觀測，有理由相信GW170817就是兩顆中子星併合產生的。據此，引力波的分析顯示GW170817的兩顆中子星半徑約為12公里。

GW190425是LIGO和Virgo發現的第二例中子星併合事件。不巧的是，當時僅有一台探測器捕捉到了這個信號。天文學家儘管做出了不少努力，還是沒有發現GW190425的電磁對應體。考慮到距離更遠（5億光年），天空定位精度也更差（八千平方度），這一結果可能並不意外。

但是，GW190425還是受到了極大關注，因為引力波測量出的中子星質量有點出人意料。GW170817和銀河系內通過脈衝星觀測已知的十來對雙中子星系統的總質量都低於2.9倍太陽質量，而GW190425的兩顆中子星總質量達到了3.3倍太陽質量！

引力波宇宙學和檢驗廣義相對論

測量宇宙加速膨脹的速度（即哈勃常數）是當前宇宙學的一個基本問題，它要求同時測出天體的距離和紅移（也就是天體的退行速度）。與電磁觀測依賴“距離階梯”不一樣，引力波可以直接測量雙星併合事件的距離。GW170817的多信使觀測展示了引力波宇宙學的潛力：聯合引力波的距離測量和對其寄主星系NGC4993的紅移測量限制了哈勃常數。當然，僅僅依靠GW170817一例觀測還遠不足以解決所謂的“哈勃疑難”——Ia型超新星和宇宙微波背景輻射分別測出不同的哈勃常數。未來隨着更多雙星併合信號的發現，引力波的觀測有望成為宇宙學的一個重要的獨立研究手段。

引力波的發現驗證了廣義相對論的預言，同時越來越多的引力波觀測也在進一步檢驗廣義相對論。例如，廣義相對論指出引力波以光速傳播。引力波信號GW170817和伽馬射線暴GRB 170817A到達地球的時間相差僅1.7秒，考慮到波源距離地球1.3億光年，因此引力波的傳播速度與光速相差不超過10-16。截至目前，對LIGO-Virgo的一系列引力波事件的分析沒有發現任何偏離廣義相對論的跡象，例如引力子質量為零、引力波只有兩種極化模式等等。

展望未來

LIGO和Virgo探測器預計將於2022年6月以後開始第4次科學運行，屆時日本的KAGRA探測器也將正式加入全球觀測網絡並達到可觀的靈敏度。此外，位於印度的LIGO-India探測器也將在幾年內開始運行。這些探測器將在2025年前後達到設計靈敏度。粗略地估計，2025年前後的引力波事件樣本將包含500例雙黑洞併合、50例雙中子星併合和50例中子星-黑洞併合。

2025年至2030年前後，LIGO探測器將進一步升級，靈敏度提高2-4倍。除已知的緻密雙星併合事件以外，地面引力波探測器在接下來的10年也有可能實現新的突破，發現全新類型的引力波，包括隨機引力波背景、連續引力波、引力波暴，甚至是前所未知的引力波源。

2035年後，地面引力波探測將進入“第三代”探測器的時代。目前已有的計劃包括美國的Cosmic Explorer和歐洲的“愛因斯坦望遠鏡”，這些探測器將達到超高靈敏度，可以探測到宇宙中幾乎所有的雙黑洞併合事件和大部分雙中子星併合事件。

圖5. 計劃中的第三代地基引力波探測器概念圖。上圖為Cosmic Explorer，40公里臂長的L型探測器（圖源：https://cosmicexplorer.org/），下圖為愛因斯坦望遠鏡，位於地下的10公里臂長的三角型探測器（圖源：ET Design Study team）

在引力波譜的其它頻段，國際脈衝星計時陣項目已經積累了十餘年的高精度數據，有望在未來幾年打開納赫茲引力波的觀測窗口，發現星系中心的超大質量黑洞併合。同時，國內外的空間引力波探測計劃也在逐步推進，有望在2035年前後開創毫赫茲引力波天文學。另外，基於宇宙微波背景輻射測量的原初引力波探測也已進行多年。因此，也許在不久的將來，人類將進入多波段引力波和多信使天文學的新時代。

1922年，愛丁頓爵士曾戲言“引力波以思想的速度傳播”。如今，在引力波的歷史性發現公佈五年後，我們知道引力波確實以光速傳播，同時還讓我們以一種全新的方式“聆聽”遙遠宇宙的奧秘。

作者簡介

**朱興江，**現為澳大利亞莫納什大學Research Fellow, 2015年博士畢業於西澳大學物理系。2012年至今為LIGO科學合作組織成員。主要研究興趣包括：脈衝星、緻密雙星系統的形成、搜尋超大質量雙黑洞和隨機引力波背景。