發(fā)布科研成果，普及天文知識(shí)02-10 17:15
2016年2月11日，美國(guó)的激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）公布了本世紀(jì)以來(lái)人類最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一：引力波。這個(gè)被命名為GW150914的信號(hào)，于2015年9月14日由兩臺(tái)LIGO探測(cè)器所紀(jì)錄，起源于14億光年之外的兩個(gè)約30倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的劇烈碰撞和并合。
五年以來(lái)，LIGO和歐洲的Virgo引力波探測(cè)器陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了50例引力波信號(hào)。如今，引力波發(fā)現(xiàn)已成常態(tài)化，探測(cè)器運(yùn)行期間基本上每周都有新發(fā)現(xiàn)，甚至為了區(qū)分同一天探測(cè)到的多個(gè)事件，天文學(xué)家必須在引力波信號(hào)名稱的探測(cè)日期后加注“時(shí)分秒”。
致密雙星并合系統(tǒng)的形成
LIGO和Virgo發(fā)現(xiàn)的50例信號(hào)均來(lái)自于兩顆致密天體的繞轉(zhuǎn)和并合。這種致密天體，中子星或黑洞，是大質(zhì)量恒星生命最后關(guān)頭以超新星爆發(fā)的壯烈過(guò)程生成的。為了形成LIGO-Virgo探測(cè)到的致密雙星并合系統(tǒng)，通常認(rèn)為有兩種方式。
第一種方式起始于一個(gè)包含兩顆大質(zhì)量恒星的雙星系統(tǒng)，兩顆星先后經(jīng)歷超新星爆發(fā)而產(chǎn)生兩顆致密天體。這種過(guò)程的關(guān)鍵是：雙體系統(tǒng)必須扛住兩次超新星爆發(fā)而不至于被拆散，而且形成的兩顆致密天體間距要足夠近，這樣引力波的輻射才能驅(qū)動(dòng)它們繞轉(zhuǎn)直至最終并合。
第二種方式發(fā)生于那些包含大量致密天體的稠密星團(tuán)中。在這種“擁擠”的環(huán)境下，兩顆原來(lái)不相干的致密天體可能隨機(jī)地遇上彼此而結(jié)成一對(duì)。球狀星團(tuán)就是這樣一類環(huán)境，其中心區(qū)域的恒星密度很高，兩顆恒星之間可能僅僅相距一個(gè)太陽(yáng)系的尺度。當(dāng)星團(tuán)中某顆大質(zhì)量恒星率先形成一個(gè)黑洞，這個(gè)黑洞由于質(zhì)量大而體積小可能迅速沉入星團(tuán)中央。接下來(lái)這個(gè)黑洞再經(jīng)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(zhì)量與自旋
根據(jù)引力波的觀測(cè)可以推斷出黑洞或中子星的質(zhì)量和自旋。目前LIGO-Virgo探測(cè)到的50例信號(hào)中，雙黑洞并合事件占據(jù)絕大多數(shù)，還有2例雙中子星并合，1例中子星-黑洞并合，另有1例尚不清楚是兩個(gè)黑洞并合還是中子星-黑洞并合。
在引力波被發(fā)現(xiàn)之前，通過(guò)X射線雙星的觀測(cè)（如：天鵝座X-1）發(fā)現(xiàn)的一些黑洞，其質(zhì)量大約在5至15倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。因此，五年前公布的GW150914顯示并合的兩個(gè)黑洞達(dá)到了30倍太陽(yáng)質(zhì)量，讓很多天文學(xué)家大為吃驚。
圖2. 已知中子星和恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量分布。藍(lán)色和橙色代表引力波觀測(cè)，紫色和黃色代表電磁波觀測(cè)。由于中子星和恒星級(jí)黑洞是大質(zhì)量恒星死亡的產(chǎn)物，本圖被戲稱為“恒星墳場(chǎng)”上的質(zhì)量分布
關(guān)于恒星級(jí)黑洞，存在兩個(gè)所謂的“質(zhì)量間隙”。在3至5倍太陽(yáng)質(zhì)量之間，電磁波段的觀測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)如此小質(zhì)量黑洞的明顯證據(jù)，而中子星的質(zhì)量又普遍認(rèn)為不超過(guò)3倍太陽(yáng)質(zhì)量。另一方面，有理論認(rèn)為，某些超大質(zhì)量的恒星（質(zhì)量約為130至250倍太陽(yáng)質(zhì)量）由于核心內(nèi)部正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生，引發(fā)劇烈且不穩(wěn)定的熱核爆炸。這一過(guò)程可以將恒星完全毀滅，不留下任何東西（包括黑洞）。這種“不穩(wěn)定對(duì)超新星”現(xiàn)象導(dǎo)致了質(zhì)量在50至150倍太陽(yáng)質(zhì)量之間的黑洞的缺失。
原則上，分析數(shù)十顆LIGO-Virgo黑洞的質(zhì)量可以較好地定出黑洞的最大和最小質(zhì)量。但是，有 2個(gè)特殊事件讓天文學(xué)家很為難：GW190521和GW190814。
首先，GW190521的兩個(gè)并合黑洞分別達(dá)到了85和66倍太陽(yáng)質(zhì)量（位于“不穩(wěn)定對(duì)超新星”質(zhì)量間隙），并合后形成一個(gè)140倍太陽(yáng)質(zhì)量的“中等質(zhì)量”黑洞（質(zhì)量大于100倍太陽(yáng)質(zhì)量而小于星系中心的超大質(zhì)量黑洞）。假如GW190521的兩個(gè)黑洞是所謂的“黑洞二代”（即各自分別由兩個(gè)更小質(zhì)量的黑洞并合而成），將它們排除后發(fā)現(xiàn)最大黑洞質(zhì)量約為52倍太陽(yáng)質(zhì)量，基本與“不穩(wěn)定對(duì)超新星”理論預(yù)言吻合。
圖3. LIGO和Virgo探測(cè)到的最大質(zhì)量雙黑洞并合事件，GW190521，有可能是兩個(gè)“黑洞二代”之間的并合（圖源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt）
其次，GW190814的兩個(gè)并合天體分別為23倍和2.6倍太陽(yáng)質(zhì)量，其中“小個(gè)兒”可能是最小質(zhì)量的黑洞或最大質(zhì)量的中子星。兩種可能性都給當(dāng)前中子星和黑洞的認(rèn)識(shí)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。如果它真是一個(gè)黑洞的話，那么3至5倍之間的黑洞質(zhì)量間隙就不復(fù)存在了。如果它是一顆中子星的話，一方面引力波測(cè)出的最小黑洞質(zhì)量在6倍太陽(yáng)質(zhì)量左右（跟X射線雙星觀測(cè)吻合），另一方面對(duì)中子星物態(tài)方程的研究提供了新方向。
利用引力波對(duì)致密天體的自旋進(jìn)行測(cè)量，雖然沒(méi)有質(zhì)量測(cè)量那么精準(zhǔn)，還是可以提供一些有趣的信息。簡(jiǎn)單而言，由孤立的大質(zhì)量雙星演化而成的致密雙星，兩顆天體的自旋跟雙星軌道平面垂直（又稱“自旋對(duì)齊”）；而在稠密星團(tuán)中經(jīng)動(dòng)力學(xué)演化形成的致密雙星，兩顆天體的自旋方向可能是完全隨機(jī)的。
分析LIGO-Virgo的雙黑洞自旋測(cè)量后，可以發(fā)現(xiàn)并不是所有的黑洞自旋方向都跟雙星軌道對(duì)齊，甚至有的黑洞自旋可能跟軌道方向相反。這說(shuō)明很可能有一部分雙黑洞是動(dòng)力學(xué)演化形成的。
多信使天文學(xué)的誕生
相比于黑洞并合，雙中子星并合和中子星-黑洞并合有個(gè)更引人注目的地方：它們可能同時(shí)發(fā)出引力波、電磁波甚至中微子。2017年8月17日發(fā)現(xiàn)的第一例中子星并合，GW170817，滿足了天文學(xué)家對(duì)“多信使天文學(xué)”的幾乎所有期待。
在兩個(gè)中子星合并后1.7秒，在與引力波源頭方向一致的方位發(fā)現(xiàn)了一例伽馬射線暴。LIGO和Virgo三臺(tái)引力波探測(cè)器的觀測(cè)將信號(hào)源的方向鎖定在31平方度的天空范圍內(nèi)，距離地球大約1.3億光年。引力波和伽馬射線的關(guān)聯(lián)探測(cè)引起了地球上和太空中幾乎所有天文觀測(cè)設(shè)備的興趣。在中子星并合11小時(shí)后，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡率先在NGC 4993星系方向發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常的亮光。隨后，天文學(xué)家在紫外、紅外、X射線和射電波段都觀測(cè)到了相應(yīng)的電磁信號(hào)。這是GW150914之后的又一例劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)，從發(fā)現(xiàn)公布之日至今，平均每天有超過(guò)3篇論文在研究它！
圖4：通過(guò)引力波和伽馬射線對(duì)GW170817的天空定位，以及光學(xué)對(duì)應(yīng)體的發(fā)現(xiàn)
（圖源：B. P. Abbott et al 2017, ApJL, 848, L12）
雙中子星并合的引力波信號(hào)包含中子星潮汐形變的信息。遺憾的是，這些信息發(fā)生在相對(duì)高頻，也就是雙星繞轉(zhuǎn)接近并合階段，頻率高于幾百赫茲。在這一頻段內(nèi)，目前的LIGO-Virgo探測(cè)器的靈敏度已經(jīng)顯著下降。因此，當(dāng)前的引力波探測(cè)難以通過(guò)潮汐形變來(lái)區(qū)分中子星和黑洞（注：理論上黑洞沒(méi)有潮汐形變）。從GW170817的引力波觀測(cè)可以得知兩顆并合天體的質(zhì)量約為1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，在典型的中子星質(zhì)量范圍內(nèi)。當(dāng)然，由電磁波段的觀測(cè)，有理由相信GW170817就是兩顆中子星并合產(chǎn)生的。據(jù)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(fā)現(xiàn)的第二例中子星并合事件。不巧的是，當(dāng)時(shí)僅有一臺(tái)探測(cè)器捕捉到了這個(gè)信號(hào)。天文學(xué)家盡管做出了不少努力，還是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)GW190425的電磁對(duì)應(yīng)體?？紤]到距離更遠(yuǎn)（5億光年），天空定位精度也更差（八千平方度），這一結(jié)果可能并不意外。
但是，GW190425還是受到了極大關(guān)注，因?yàn)橐Σy(cè)量出的中子星質(zhì)量有點(diǎn)出人意料。GW170817和銀河系內(nèi)通過(guò)脈沖星觀測(cè)已知的十來(lái)對(duì)雙中子星系統(tǒng)的總質(zhì)量都低于2.9倍太陽(yáng)質(zhì)量，而GW190425的兩顆中子星總質(zhì)量達(dá)到了3.3倍太陽(yáng)質(zhì)量！
引力波宇宙學(xué)和檢驗(yàn)廣義相對(duì)論
測(cè)量宇宙加速膨脹的速度（即哈勃常數(shù)）是當(dāng)前宇宙學(xué)的一個(gè)基本問(wèn)題，它要求同時(shí)測(cè)出天體的距離和紅移（也就是天體的退行速度）。與電磁觀測(cè)依賴“距離階梯”不一樣，引力波可以直接測(cè)量雙星并合事件的距離。GW170817的多信使觀測(cè)展示了引力波宇宙學(xué)的潛力：聯(lián)合引力波的距離測(cè)量和對(duì)其寄主星系NGC4993的紅移測(cè)量限制了哈勃常數(shù)。當(dāng)然，僅僅依靠GW170817一例觀測(cè)還遠(yuǎn)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(cè)出不同的哈勃常數(shù)。未來(lái)隨著更多雙星并合信號(hào)的發(fā)現(xiàn)，引力波的觀測(cè)有望成為宇宙學(xué)的一個(gè)重要的獨(dú)立研究手段。
引力波的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的預(yù)言，同時(shí)越來(lái)越多的引力波觀測(cè)也在進(jìn)一步檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。例如，廣義相對(duì)論指出引力波以光速傳播。引力波信號(hào)GW170817和伽馬射線暴GRB 170817A到達(dá)地球的時(shí)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(guò)10-16。截至目前，對(duì)LIGO-Virgo的一系列引力波事件的分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何偏離廣義相對(duì)論的跡象，例如引力子質(zhì)量為零、引力波只有兩種極化模式等等。
展望未來(lái)
LIGO和Virgo探測(cè)器預(yù)計(jì)將于2022年6月以后開(kāi)始第4次科學(xué)運(yùn)行，屆時(shí)日本的KAGRA探測(cè)器也將正式加入全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)并達(dá)到可觀的靈敏度。此外，位于印度的LIGO-India探測(cè)器也將在幾年內(nèi)開(kāi)始運(yùn)行。這些探測(cè)器將在2025年前后達(dá)到設(shè)計(jì)靈敏度。粗略地估計(jì)，2025年前后的引力波事件樣本將包含500例雙黑洞并合、50例雙中子星并合和50例中子星-黑洞并合。
2025年至2030年前后，LIGO探測(cè)器將進(jìn)一步升級(jí)，靈敏度提高2-4倍。除已知的致密雙星并合事件以外，地面引力波探測(cè)器在接下來(lái)的10年也有可能實(shí)現(xiàn)新的突破，發(fā)現(xiàn)全新類型的引力波，包括隨機(jī)引力波背景、連續(xù)引力波、引力波暴，甚至是前所未知的引力波源。
2035年后，地面引力波探測(cè)將進(jìn)入“第三代”探測(cè)器的時(shí)代。目前已有的計(jì)劃包括美國(guó)的Cosmic Explorer和歐洲的“愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡”，這些探測(cè)器將達(dá)到超高靈敏度，可以探測(cè)到宇宙中幾乎所有的雙黑洞并合事件和大部分雙中子星并合事件。
圖5. 計(jì)劃中的第三代地基引力波探測(cè)器概念圖。上圖為Cosmic Explorer，40公里臂長(zhǎng)的L型探測(cè)器（圖源：https://cosmicexplorer.org/），下圖為愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡，位于地下的10公里臂長(zhǎng)的三角型探測(cè)器（圖源：ET Design Study team）
在引力波譜的其它頻段，國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣項(xiàng)目已經(jīng)積累了十余年的高精度數(shù)據(jù)，有望在未來(lái)幾年打開(kāi)納赫茲引力波的觀測(cè)窗口，發(fā)現(xiàn)星系中心的超大質(zhì)量黑洞并合。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的空間引力波探測(cè)計(jì)劃也在逐步推進(jìn)，有望在2035年前后開(kāi)創(chuàng)毫赫茲引力波天文學(xué)。另外，基于宇宙微波背景輻射測(cè)量的原初引力波探測(cè)也已進(jìn)行多年。因此，也許在不久的將來(lái)，人類將進(jìn)入多波段引力波和多信使天文學(xué)的新時(shí)代。
1922年，愛(ài)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(fā)現(xiàn)公布五年后，我們知道引力波確實(shí)以光速傳播，同時(shí)還讓我們以一種全新的方式“聆聽(tīng)”遙遠(yuǎn)宇宙的奧秘。
作者簡(jiǎn)介
朱興江，現(xiàn)為澳大利亞莫納什大學(xué)Research Fellow, 2015年博士畢業(yè)于西澳大學(xué)物理系。2012年至今為L(zhǎng)IGO科學(xué)合作組織成員。主要研究興趣包括：脈沖星、致密雙星系統(tǒng)的形成、搜尋超大質(zhì)量雙黑洞和隨機(jī)引力波背景。
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