編者按：
在一波又一波傳言后，終于！北京時間2016年2月11日23:40左右，激光干涉引力波天文臺（LIGO）負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波。
發(fā)布會上究竟揭開了哪些謎團(tuán)？與之前的傳言有何不同嗎？
科普中國移動端科普融合創(chuàng)作項目特邀中國科學(xué)院國家天文臺黑洞來客團(tuán)隊（團(tuán)隊主要成員茍利軍研究員為國家天文臺恒星級黑洞研究創(chuàng)新小組負(fù)責(zé)人，而這次被探測到的引力波正是來自雙黑洞系統(tǒng)），全面解讀這場激動人心的發(fā)布會。
一波又一波的引力波傳言終于在北京時間11日晚上的美國自然基金會的新聞發(fā)布會中塵埃落定：人類首次直接探測到了引力波，這是真的！正如發(fā)布會所言，在被預(yù)言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測到，這是一個值得紀(jì)念的偉大時刻，一個新時代的序幕正在拉開——地球人，歡迎你來到引力波時代！
激動人心的發(fā)布會結(jié)束了，其重點內(nèi)容可以被簡單歸納為三點：
（1）引力波終于被探測到了。
（2）引力波產(chǎn)生于兩個恒星量級黑洞的合并(merger)。
（3）引力波是美國的激光干涉引力波天文臺（英文簡稱LIGO）發(fā)現(xiàn)的。
接下來，讓我們逐個分析和解釋一下以上三點，從而對這項具有劃時代意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)做一個稍微深入的了解：
（圖1注：雙黑洞系統(tǒng)想象圖。（來源于LIGO網(wǎng)站））
天外飄來引力波
對于“波”，我們并不陌生，生活中時常會聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等等，引力波也是波的一種。
既然稱之為引力波，它必然與引力有關(guān)。所以，在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對于引力的認(rèn)識過程。17世紀(jì)末的物理學(xué)家牛頓看到了下落的蘋果，意識物體之間普遍存在的一種力，稱之為“引力”，并且將其數(shù)學(xué)化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認(rèn)識的精髓是物體質(zhì)量的存在導(dǎo)致了引力，這在牛頓之后的兩百多年里被認(rèn)為是宇宙間的絕對真理。直到1905年狹義相對論發(fā)表，再到1915年廣義相對論的發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對于引力的看法，引力是因為質(zhì)量對于時空造成了變形所導(dǎo)致，而非質(zhì)量之間的吸引。這就意味著，我們時空可被當(dāng)做一種可以變形的介質(zhì)來認(rèn)識。所以引力波，簡單來說，就是時空自身的波動。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時空之中傳播的，時空是它的媒介。
人們常說“星辰大?！?，如果將時空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產(chǎn)生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產(chǎn)生擾動，時空自身的波動也會向遠(yuǎn)處傳播，如果足夠強(qiáng)，就能夠為地球上的我們所感知。
在引力的世界中，我們的宇宙通常是平靜的?？墒窃诒本r間2015年9月14日17點50分45秒，地球上的LIGO探測器卻探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風(fēng)暴，來自于一個雙黑洞系統(tǒng)的合并，以它的探測日期命名為 GW150914。
（圖2注：LIGO的兩個觀測站探測到了同一個引力波事件。上面為觀測得到的曲線，下面是和理論相比較之后的擬合結(jié)果。（來源于LIGO所發(fā)文章））
兩個黑洞的“火并”
此次發(fā)布會的另外一個亮點就是雙黑洞。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞，這兩個黑洞的質(zhì)量分別為26和39太陽質(zhì)量，屬于恒星級黑洞?；蛟S你已經(jīng)聽膩了黑洞，生活中時不時的會聽到某某黑洞爆發(fā)了，某某黑洞吞吃恒星了等等。但是這此發(fā)現(xiàn)卻有些不同，兩個天體都是黑洞，互相繞轉(zhuǎn)，最后合并。這聽起來像是一場黑吃黑的火拼，甚至有點兒像港片里熟悉的火爆場面。黑洞合并產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的時空振蕩，所以我們遙遠(yuǎn)的地球才觀測到了。
黑洞通常認(rèn)為是大質(zhì)量（超過25個太陽質(zhì)量，請注意這是前身星的質(zhì)量）的恒星在其演化的最終階段，恒星中心會形成我們了解的恒星級黑洞。它們的質(zhì)量通常預(yù)計在3個太陽質(zhì)量到100個太陽質(zhì)量之間。因為黑洞本身沒有任何的輻射（不考慮量子效應(yīng)下的霍金輻射，它的電磁輻射也是異常微弱），所以我們不能直接看到黑洞。我們的銀河系或者其他類似的星系當(dāng)中當(dāng)中，每個星系都預(yù)計存在著上千萬個恒星級黑洞，但是絕大多數(shù)的黑洞都是孤獨存在的天體，如同幽靈般，沒有任何輻射或者輻射及其微弱，所以很難被看到。
所幸，有的黑洞處于雙星系統(tǒng)當(dāng)中，就像發(fā)布會中提及的系統(tǒng)，而且另外一個天體是正常的恒星（也稱之為伴星）。在這種情形之下，黑洞會從正常恒星上吸積氣體，在其周圍產(chǎn)生一個吸積盤，以至于某些時候吸積氣體的量過多，不能被黑洞直接吞掉，這時還會沿著黑洞的兩個轉(zhuǎn)軸將多余的氣體拋射出去，從而產(chǎn)生非常壯觀的噴流。正是因為吸積盤和噴流的存在，他們都能夠產(chǎn)生我們非常熟知的電磁輻射（也就是有我們熟知的光子產(chǎn)生），從而我們利用傳統(tǒng)的探測方式，比如地面或者太空的望遠(yuǎn)鏡，就可以間接地探測黑洞的存在。
大約在50年前，人類就是利用此方法發(fā)現(xiàn)了第一個黑洞候選體，天鵝座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年，地球上兩顆聰明的大腦、理論物理學(xué)家霍金和好朋友基普·索恩就這個候選體是不是黑洞而打了個賭，他們以一年的成人雜志《閣樓》作為賭注。后來的觀測是利用天鵝座X-1中的伴星運動測得了黑洞質(zhì)量，大約為15個太陽質(zhì)量，從而霍金認(rèn)輸并且在兩人的賭書上簽名按上了自己的手印?；铡に鞫鲝哪菚r起就贏了。
對于雙黑洞系統(tǒng)，他們幾乎不會產(chǎn)生能夠為傳統(tǒng)方式所觀測到的光子。所以，即使它們存在，僅憑借傳統(tǒng)的觀測方式，我們也無法發(fā)現(xiàn)他們。況且，很多的人都懷疑它的存在。但是，在雙黑洞繞轉(zhuǎn)，尤其是合并之時，會產(chǎn)生很強(qiáng)的引力波。只要引力波探測器足夠靈敏，我們就可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤影。面對大家的懷疑，LIGO的發(fā)現(xiàn)用事實證明了它的存在。而此次發(fā)現(xiàn)引力波的天文臺的創(chuàng)建人之一就是基普·索恩——索恩教授又一次贏了！
引力波為黑洞做名片
在觀測到了完整的引力波形之后，利用一種叫做匹配濾波（waveform matching）的方法，理論上就可以推斷出系統(tǒng)的性質(zhì)信息，包括合并之前和之后。比如，對于雙黑洞系統(tǒng)，可以推斷出合并之前的黑洞質(zhì)量，自旋和軌道，以及合并之后的質(zhì)量和自旋。此次新聞發(fā)布會中所提及的引力波事件，就得到黑洞的質(zhì)量在合并之前是26個和39個太陽質(zhì)量，合并之后是62個太陽質(zhì)量（合并之前的兩個黑洞自旋參數(shù)值限制的并不是很好），合并后黑洞是一個克爾黑洞，其自旋參數(shù)值為0.67。
你或許會有疑問，合并之后怎么少了3個太陽質(zhì)量，它跑到什么地方去了？引力波也是攜帶能量的，在黑洞合并之時，它的形狀非常不對稱，不是我們看到的單個黑洞的球形，所以在振蕩恢復(fù)的過程當(dāng)中，一部分質(zhì)量就通過引力波的方式輻射出去，從而為我們所接收。合并的時間非常之短，僅僅在大約0.05秒的時間，就將3個太陽質(zhì)量（大約6.0E30公斤）的能量就通過引力波的方式釋放出去，也就是說在一秒鐘可以釋放出大約10^32公斤的能量。相比較之下，我們的整個宇宙包含了大約1.0E22個太陽，而每個太陽每秒鐘向外輻射大約4.0E9公斤的物質(zhì)能量，所以黑洞合并的最后釋放出比整個宇宙每秒鐘輻射出的電磁總能量還要高出3倍。
（圖3注：雙黑洞系統(tǒng)在不同階段所產(chǎn)生波形隨時間演化圖。雙黑洞系統(tǒng)的演化包括三個階段：旋近(inspiral), 合并（merger）和鈴振（ring down）階段。（來源于LIGO所發(fā)文章））
我們注意到，合并前黑洞的質(zhì)量為26個和39個太陽質(zhì)量——這兩個質(zhì)量都比目前已知的恒星級黑洞要重許多。我們現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)了大約20多個恒星級黑洞，最重的恒星級黑洞位于M33 X-7系統(tǒng)中，為16個太陽質(zhì)量。而其它所有確定的黑洞質(zhì)量均比這個小，大多數(shù)是七八個太陽質(zhì)量左右。盡管理論之前預(yù)言了更大質(zhì)量的黑洞的存在，但是之前從來還沒有發(fā)現(xiàn)過，所以此次發(fā)現(xiàn)更大質(zhì)量黑洞，對于黑洞的形成渠道也有著重要影響。
我們所看到的所有恒星，都是處于旋轉(zhuǎn)當(dāng)中。所以對于那些由恒星塌縮而形成的黑洞而言，它們也是處在旋轉(zhuǎn)之中。對于黑洞的旋轉(zhuǎn)，天文學(xué)家用一個叫做“自旋參數(shù)”的量來表示，它在0和1之間變化——0代表了沒有轉(zhuǎn)動的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理論上黑洞所具有的轉(zhuǎn)動最大值（也叫“極端克爾黑洞”）。對于此次觀測中合并以后的黑洞，它的自旋參數(shù)為0.67。如果我們以轉(zhuǎn)速來描述，它在以每秒鐘100轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動。相較而言，我們剛才提到的人類第一個黑洞“天鵝座X-1”， 它是一個極端克爾黑洞，差不多在以超過1000轉(zhuǎn)每秒的速率轉(zhuǎn)動。
如果你覺得轉(zhuǎn)速依舊很難理解，那我們可以想象一下《星際穿越》電影的一個情節(jié)，主人公在卡剛都亞黑洞的行星上只呆了3個小時，但是后來卻發(fā)現(xiàn)飛船上已經(jīng)過了23年，時間相差了6萬倍。要有這樣巨大的時間差，其中條件就行星極度靠近黑洞的同時，黑洞也以最大速度轉(zhuǎn)動。按照相對論理論所言，這樣行星上的時間就會被極大的拉長。天鵝座黑洞的轉(zhuǎn)速就具有類似于電影中卡剛都亞黑洞那樣的轉(zhuǎn)速。對于此次引力波探測到黑洞而言，即使有某個行星在其周圍最靠近的穩(wěn)定存在，那么對于它的時間也會流逝的很慢，不過不會有6萬倍那么大的差別，最多也就2倍左右。
對于黑洞而言，有著非常著名的無毛定理，也就是說黑洞只需要簡單的幾個量就可以描述。對于宇宙當(dāng)中的黑洞，只需要我們上面所說的質(zhì)量和自旋參數(shù)就可以完整的描述。當(dāng)我們知道了黑洞的質(zhì)量和自旋參數(shù)一些性質(zhì)時，我就可以很容易的對黑洞本身的全貌做出一個描繪，就如同給出了一個人的完整自畫像。而引力波的方法可以快速給出黑洞的完整信息，這相比較傳統(tǒng)的觀測方式，更為有效，盡管在觀測方面有些困難。
氫原子的百億分之一
從預(yù)言到探測，物理學(xué)家等待引力波的到來已有一百年之久，為什么引力波這么難得一見？主要原因是，相比較其他的幾種力（強(qiáng)力，弱力，電磁力），引力是最弱的，相應(yīng)的引力波效應(yīng)也就很弱。想當(dāng)初愛因斯坦在發(fā)表自己新的理論之后，就估算了引力波的強(qiáng)度。引力波的強(qiáng)度通常利用相對變形大小來表示，但是結(jié)果往往是小的可憐，幾乎無法探測到。引力波是時空的自身變形，在一個方向上被拉伸，在其垂直的另外一個方向上就會被壓縮。如果我們有一天，我們被同樣的雙黑洞系統(tǒng)在合并時所產(chǎn)生的引力波（變化強(qiáng)度為1.0E-21）所擊中的話，理論上來說，我們同樣會經(jīng)歷一個稍微變高變瘦，然后變胖變矮一些的過程。實際上，對我們身高不超過2米的人類來說，導(dǎo)致的變化大約為2E-21，為一個氫原子的五百億分之一（一個氫原子的大小大約為1.0E -10米）。
引力波的效應(yīng)是如此之小，所以一方面需要增加探測的長度，來增強(qiáng)變化的效應(yīng)，另外一方面通過巧妙的方法來探測到微小的變化。這也是此次新聞發(fā)布會中提到的激光干涉引力波天文臺(LIGO)在建造之初所考慮的。它有兩個觀測點，分別建在美國華盛頓州的列文斯頓和路易斯安那州的漢福德。每個觀測點都有兩個互相垂直，每條長達(dá)4公里的臂。長臂中間是高度真空的管子，而在長臂兩端，懸掛著大約直徑34厘米、重達(dá)40kg的反射鏡。LIGO的探測器利用激光干涉技術(shù)，不間斷地測量每對反射鏡之間的距離。每當(dāng)引力波通過探測器時，人們會探測到兩對反射鏡之間的距離呈現(xiàn)此消彼長的周期性變化。
即使對于LIGO天文臺4公里的長臂，引力波所造成的變化也是極其微小的。對于此次新聞報道中的雙黑洞合并，其可能產(chǎn)生的尺度相對變化最高可為1.0E-21，意味著4公里的長度也僅僅只變化了一個氫原子直徑的2.5千萬分之一。為了達(dá)到這個精度，LIGO的科學(xué)家做了許多精密的設(shè)計，保證探測系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證LIGO反射鏡的位置隨機(jī)漲落小于一個氫原子大小的百億分之一，從而保證可以相對比較容易的探測到可能的引力波源。
LIGO在1999年建成并且開始運行。但是在進(jìn)行升級之前（也就是2010年），沒有探測到任何確定的引力波事件。從2010年開始，LIGO對探測器進(jìn)行了第二階段的升級，2015年6月進(jìn)行測試運行，2015年9月開始正式運行，第一階段的科學(xué)運行一直持續(xù)到2016年1月，升級后的版本被稱為Advanced LIGO （簡稱aLIGO）。而此次新聞發(fā)布會的結(jié)果其實就是在剛剛升級完之后，由還在進(jìn)行測試中的的aLIGO所探測到的。相比較之前，aLIGO的探測靈敏度提高了10倍。而且此次的雙黑洞所產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度就在僅僅比最初LIGO的靈敏度低一些，所以當(dāng)LIGO的升級剛剛完成，在試運行的階段就發(fā)現(xiàn)了所報道的雙黑洞系統(tǒng)。探測到引力波似乎就在本來的預(yù)料當(dāng)中。就像發(fā)布會中所言，這或許是大自然給我們苦盼許久的一份禮物。2012年，LIGO天文臺創(chuàng)建人基普·索恩在《科學(xué)》雜志的一篇評論文章中說，預(yù)計在2017年，第一例黑洞合并的事例將會被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時預(yù)計LIGO的升級會在2016年底完成，結(jié)果是升級進(jìn)度超前，讓我們提前聽到了宇宙時空的聲音。
（圖4注：LIGO和aLIGO靈敏度比較（左）；LIGO和aLIGO探測范圍比較(右)。（圖片來源于LIGO網(wǎng)站））
誰將撼動時空
那么在我們的星辰大海中，什么樣的天體才能夠撼動我們的這個宇宙時空，讓位于遙遠(yuǎn)地球上的LIGO探測到呢？現(xiàn)在通常認(rèn)為有如下四種：
（1）旋進(jìn)(In-spiral)或者合并的致密星雙星系統(tǒng)。比如中子星或者黑洞的雙星系統(tǒng)。非常類似于發(fā)布會當(dāng)中的系統(tǒng)。
（2）快速旋轉(zhuǎn)的致密天體。這類天體會通過周期性的引力波輻射損失掉角動量，它的信號的強(qiáng)度會隨著非對稱的程度增加而增加?？赡艿暮蜻x體包括非對稱的中子星之類的。在《星際穿越》電影當(dāng)中，教授說它發(fā)現(xiàn)了引力波，而它的其中一個產(chǎn)生機(jī)制很可能就是由一個快速轉(zhuǎn)動的中子星，其表面大約2厘米的凸起所產(chǎn)生的（具體分析可以參閱由基普·索恩撰寫的星際穿越一書）。
（3）隨機(jī)的引力波背景。非常類似于我們通常熟知的宇宙背景輻射，這一類背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴漲的遺跡。2014年由加州理工、哈佛大學(xué)等幾個大學(xué)的研究人員所組成的BICEP2團(tuán)隊曾宣稱利用南極望遠(yuǎn)鏡找到了原初引力波，但是后來證實為銀河系塵埃影響的結(jié)果。原初引力波的探測將是對暴脹宇宙模型的直接驗證，對于它的探測依舊在努力尋找之中。
（4）超新星或者伽馬射線暴爆發(fā)。恒星爆發(fā)時非對稱性動力學(xué)性質(zhì)也會產(chǎn)生引力波。而直接探測到來自于這些天體的引力波，將是提供對這些天體最直接而且最內(nèi)部的信息。
除過LIGO之外，還有意大利的VIRGO引力波探測器，日本的KAGRA探測器以及英國德國的聯(lián)合GEO-HF探測器。相信在不遠(yuǎn)的未來，引力波的探測事例會如同春筍般爆發(fā)，越來越多。
（圖5注：全球引力波天文臺分布（來源于LIGO網(wǎng)站）。）
為一窺宇宙初生
毫無疑問引力波是對廣義相對論的一個最直接的驗證。另外它在弱場中已經(jīng)得到驗證，但是對已強(qiáng)引力之下的驗證，之前卻從來沒有驗證過。所以此次的觀測，是對廣義相對論的一個非常好的檢驗。
引力波以光速傳播，它與物質(zhì)的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達(dá)到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程，而對于電磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大約300，000之后的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解我們宇宙形成的最好工具。
如果還記得，在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時，主人公庫珀身處一個5維時空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應(yīng)，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。引力波從目前物理學(xué)家的認(rèn)識來看，是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會產(chǎn)生引力波。說不定在不遠(yuǎn)的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。
就如同一個天生的聾啞人，一直在聽別人說聲音的存在，突然有一天聽力恢復(fù)了。我想我們此刻的心情也是差不多如此。引力波給我們打開了一扇全新的窗口。引力波是一種方式，是一種看待世界的方式。歷史的發(fā)現(xiàn)軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會有令人稱奇的發(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力還是有限，一旦這個引力波的世界被撬開了一道小的裂縫，讓我們看到了春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節(jié)也不會太遠(yuǎn)。
