黑洞碰撞重塑物理学

这次事件在宇宙尺度上是灾难性的——黑洞合并剧烈震动了周围的时空结构，并以光速向宇宙发送了被称为引力波的时空振动冲击波。但这正是地球上的物理学家们一直等待的灾难。2015年9月14日，当这些涟漪扫过新升级的激光干涉引力波天文台（高级LIGO）时，它们在位于路易斯安那州和华盛顿州的两个L形探测器的读数中显示为尖峰。科学家们有史以来第一次记录到了引力波信号。

“它就在那里！”芝加哥大学的天体物理学家、LIGO团队成员丹尼尔·霍尔茨说。“而且它非常强烈，非常漂亮，在两个探测器中都是如此。”霍尔茨说，虽然信号的形状从理论上看起来很熟悉，“但在数据中看到它时，感觉完全不同。这是一个超凡的时刻。”

该信号，根据其发生日期正式命名为GW150914，非正式地被其发现者称为“事件”，被公正地誉为物理学上的一个里程碑。它为阿尔伯特·爱因斯坦一个世纪前提出的广义相对论提供了丰富的证据，该理论认为质量和能量可以扭曲时空，而引力正是这种扭曲的结果。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的相对论计算机模拟专家斯图尔特·夏皮罗称其为“广义相对论自诞生以来最重大的证实”。

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但“事件”也标志着引力波天文学长期承诺的时代的开始。对信号的详细分析已经揭示了合并黑洞的性质以及它们是如何形成的。自从那时以来，LIGO及其欧洲的对应机构——意大利比萨附近的法意合作高级室女座天文台，已经收集了四十多个类似的事件——研究人员将能够像对恒星进行分类和理解其起源一样，对黑洞进行分类和理解其起源。

随着新近建成的日本神冈引力波探测器（KAGRA）加入搜索行列，未来几年将会出现更多事件。（三个合作项目将汇集他们的数据并共同发表论文。）拥有更多的探测器不仅将为事件提供关键的细节，而且还可以帮助天文学家比以往更准确地进行宇宙距离测量。

“未来几年将会非常精彩，”德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所所长布鲁斯·艾伦说。

“他们看到的黑洞碰撞越多，就会越有趣，”理论物理学家和数学家、牛津大学荣誉教授罗杰·彭罗斯说，他在1960年代在黑洞方面的开创性工作为他赢得了2020年诺贝尔奖。“突然之间，我们有了一种观察宇宙的新方式。”

能量问题

物理学家们几十年来都知道，每一对轨道运行的天体都是引力波的来源。根据爱因斯坦的方程，每次公转，引力波都会带走它们轨道能量的一小部分。这将导致物体更靠近彼此，并以更快的速度绕轨道运行。对于熟悉的星体对，如月球和地球，即使在数十亿年的时间尺度上，这种能量损失也是微不足道的。

但是，轨道非常接近的致密物体可能会更快地失去能量。1974年，当时在马萨诸塞大学阿默斯特分校的射电天文学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了这样一个系统：一对围绕彼此轨道运行的致密中子星。随着时间的推移，科学家们发现，这个“双脉冲星”正在失去能量并螺旋向内，正如爱因斯坦理论预测的那样。

LIGO探测到的两个黑洞可能已经以这种方式损失能量数百万年，甚至数十亿年，然后才到达终点。但是，LIGO直到2015年9月14日协调世界时9:50:45才记录到来自它们的引力波，当时引力波的频率升至每秒30个周期（赫兹）以上——相当于每秒15个完整的黑洞轨道——并且最终高到探测器可以将其与背景噪声区分开来。

但是，在短短0.2秒内，LIGO观察到信号激增至250赫兹，然后突然消失，因为黑洞完成了最后五个轨道，达到了光速一半的轨道速度，并合并成一个巨大的物体[见下方框]。

LIGO和Virgo团队很快开始工作，尽可能地提取每一比特信息。在最基本的层面上，该信号为他们提供了一个存在性证明：物体在合并之前如此接近彼此的事实意味着它们一定是黑洞，因为普通恒星需要大得多。“我认为，这是黑洞真正存在的清晰迹象，”彭罗斯说。

该信号还为研究人员提供了广义相对论的首次实证检验，超越了包括双脉冲星周围空间在内的时空扭曲相对较小的区域。夏皮罗说，没有经验证据表明该理论在合并黑洞的极端能量下仍然有效——但事实证明它确实有效。

该信号也包含着大量更详细的信息。通过仔细检查最终灾难发生前的信号形状，科学家们发现它与一个频率和幅度稳步增加的简单正弦波非常接近。宾夕法尼亚州立大学理论物理学家、LIGO高级研究员B. S. 萨蒂亚普拉卡什表示，这种模式表明黑洞的轨道几乎是圆形的，并且LIGO可能以鸟瞰视角观察到这些圆圈，几乎是正对着它们而不是侧对着它们。

此外，LIGO和Virgo团队能够利用观测到的波的频率及其加速度来估计两个黑洞的质量：因为较重的物体以比轻物体更快的速度以引力波的形式辐射能量，所以它们的音调上升得更快。

通过计算机模拟重现“事件”，科学家们计算出两个黑洞的质量分别约为太阳质量的36倍和29倍，合并后的黑洞质量约为62个太阳质量。失去的质量差，约为三个太阳质量，以引力辐射的形式分散了——其中大部分发生在物理学家称之为铃震阶段，即合并后的黑洞正在稳定成球形的时候。（相比之下，有史以来威力最大的热核炸弹仅将约两公斤物质转化为能量——大约少10³⁰倍。）研究小组还怀疑，最终的黑洞可能以每秒100转的速度旋转，尽管该估计的误差范围很大。

推断出的两个黑洞的质量也具有启发意义。每个物体很可能都是一颗非常巨大的恒星的残余物，较大的恒星接近太阳质量的100倍，较小的恒星略小一些。众所周知，热核反应将这些恒星核心中的氢转化为氦的速度比轻恒星快得多，这导致它们在诞生后仅数百万年就在自身重量下坍塌。这种坍塌释放的能量会引发II型超新星爆炸，留下残余核心，变成中子星，或者如果质量足够大，则变成黑洞。

科学家们说，II型超新星不应该产生比大约30个太阳质量大得多的黑洞——而这两个黑洞都处于该范围的上限。这可能意味着该系统是由星际气体云形成的，这些气体云比我们星系中通常发现的气体云富含氢和氦，而重元素（天文学家称之为金属）含量较低。

奈梅亨拉德堡大学的天文学家、高级室女座合作组织成员吉斯·内勒曼斯解释说，天体物理学家计算出，由这种低金属丰度云形成的恒星在爆炸时应该更容易形成巨大的黑洞。这是因为在超新星爆发期间，较小的原子不太可能被爆炸吹走。因此，低金属丰度恒星“损失的质量较少，因此对于相同的初始质量，更多的质量进入黑洞，”内勒曼斯说。

成双成对

但是，这两个黑洞是如何最终形成双星系统的呢？在与报告2015年发现的论文同时发表的一篇论文中，LIGO和Virgo团队描述了两种普遍接受的场景。

最简单的一种是，两颗大质量恒星诞生于双星系统，像双黄蛋一样由同一个星际气体云形成，并且从那时起就一直在相互绕轨道运行。（这种双星在我们的星系中很常见；像太阳这样的单星是例外而不是规则。）几百万年后，其中一颗恒星会燃尽并发生超新星爆发，紧随其后的是另一颗。结果将是一个双黑洞。

第二种场景是，恒星独立形成，但仍然在同一个稠密的恒星团中——可能类似于围绕银河系运行的球状星团。在这样的星团中，大质量恒星会向中心下沉，并通过与较轻恒星的复杂相互作用，形成双星系统，可能在它们转变为黑洞之后很久才形成。

荷兰莱顿大学的天体物理学家西蒙·波特吉斯·兹瓦特的模拟显示，大质量恒星更有可能在稠密的星团中形成，在那里碰撞和合并更为常见。他还发现，一旦双黑洞系统形成，星团中心复杂的动力学可能会以高速将这对星体踢出。高级LIGO探测到的双星可能已经远离任何星系数十亿年，然后才合并，他说。

尽管LIGO和Virgo团队能够从“事件”中学到很多东西，但即使在黑洞合并的情况下，引力波也可以教给他们更多东西。探测器显示，在黑洞合并后，当生成的黑洞稳定成对称形状时，引力波迅速衰减。这与已故理论物理学家C. V. 维什韦什瓦拉在1970年代早期的预测相符，当时“引力波和黑洞都属于神话领域，”维什韦什瓦拉在2016年说。“那时，我没有想到它会被验证。”

但是，LIGO仅在信号再次淹没在背景噪声中之前，看到了“事件”铃震波的略多于一个周期——还不足以提供对维什韦什瓦拉预测的严格检验的数据。

如果LIGO探测到比本次事件更大的黑洞合并，或者发生在比“事件”估计距离13亿光年更近的地球附近，从而产生更“响亮”且在噪声之上停留更长时间的引力波，则可以进行更严格的测试。

LIGO理论家、德国波茨坦-戈尔姆马克斯·普朗克引力物理研究所所长亚历山德拉·布奥纳诺说，铃震阶段的更详细图像可以揭示最终黑洞的旋转速度，以及其形成是否赋予了它一个赋予高速度的“出生踢”。

此外，萨蒂亚普拉卡什说，“我们尤其期待质量更轻、持续时间更长的系统。”此类事件包括较轻的双黑洞、双中子星或黑洞与中子星的合并。每种类型都会发出自己独特的啁啾声，并可能产生在LIGO灵敏度阈值之上停留几分钟或更长时间的信号。

“在某种意义上，GW150914是一个非常普通的系统，”宾夕法尼亚州立大学的LIGO成员查德·汉纳说。“它当然很美，但它并没有人们可能期望的所有疯狂的事情。”

太空艺术

萨蒂亚普拉卡什渴望观察到的一种现象是黑洞轨道平面的“进动”，这意味着它们的路径描绘出一种三维玫瑰花结。这是一种相对论效应，在牛顿引力中没有对应物，它应该在引力波的强度中产生特征性波动。但是，只有当两个黑洞的自转轴指向随机方向时才会发生轨道进动，当轴都垂直于轨道平面时，进动就会消失。进动的发生为黑洞是如何形成的提供了线索。

很难确定这种可能性，因为超新星模拟存在许多不确定性。但是，天体物理学家怀疑，平行自转通常表明最初的两颗恒星是同时从同一个旋转气体云中诞生的。同样，他们认为，随机自转是由于黑洞分别形成，然后才围绕彼此轨道运行而产生的。一旦天文台发现更多合并事件，他们或许能够确定哪种类型的系统更频繁发生。

尽管探测到更多事件将有助于LIGO进行大量的科学研究，但其干涉仪具有内在的局限性，因此有必要与类似的全球探测器网络合作。

首先，LIGO的两个干涉仪不足以让科学家精确确定引力波的来源。研究人员可以通过比较信号到达每个探测器的时间来获得一些信息：时间差使他们能够计算出引力波相对于两个探测器之间假想线的方向。但在“事件”案例中，记录到的时间差为6.9毫秒，他们的计算仅将可能性范围限制在南部天空的广阔条带上。

在Virgo于2017年8月上线后，科学家们能够通过比较引力波到达三个地点的时间，大幅缩小方向范围。随着最近日本KAGRA的加入，他们的精度将进一步提高。印度也在规划自己的LIGO。

了解事件的方向也有助于消除确定其与地球距离的最大不确定性之一。意大利比萨高等师范学院物理学家、Virgo前发言人富尔维奥·里奇解释说，从完全垂直于探测器的方向（无论是从上方还是从下方穿过地球）接近的引力波以其实际振幅记录下来。然而，从天空其他地方传来的引力波会以一定角度击中探测器，并根据已知公式产生稍小的信号。甚至存在一些盲点，在这些盲点中，给定的探测器根本看不到来源。

确定方向可以揭示引力波的精确振幅。通过将该数值与引力波源的振幅进行比较（研究人员能够从信号的形状推导出），并了解振幅如何随距离减小（他们从爱因斯坦的理论中获得），他们就可以更精确地计算出引力波源的距离。

这种情况几乎是前所未有的：传统上，天文距离需要通过观察已知物体在从太阳系到遥远星系的各个位置的亮度来估计。但是，这些“标准烛光”的测量亮度可能会被中间的物质减弱。引力波没有这种限制。

拉响警报

科学家们渴望精确估计引力波来源的另一个重要原因是。LIGO和Virgo团队已安排向传统天文学家发出有关有趣事件的近实时警报，传统天文学家可以使用他们的光学、射电和空间望远镜来查看这些事件是否产生了任何形式的电磁辐射。作为回报，LIGO和Virgo合作项目将筛选数据，以搜索可能由传统天文台观测到的事件（如超新星爆发）产生的引力波。

大约20个团队试图跟进“事件”，但大多徒劳无功。美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜确实在大约0.4秒后看到了可能的伽马射线爆发，来自南部天空同样模糊但兼容的区域。但大多数观察家现在认为这是一种巧合。西北大学的LIGO天体物理学家维姬·卡洛格拉说，原则上，当绕双黑洞运行的气体在合并过程中被加热时，可能会产生这种伽马射线。但是“我们的天体物理学预期一直是，形成双黑洞的恒星中的气体早已消散。周围不应该有任何显着的气体，”她说。

然而，在2017年8月，当LIGO和Virgo发现引力波信号后，70多个天文学家团队能够定位并观察到来自两颗中子星合并的焰火，引力波与传统天文学之间的协同作用以壮观的方式展现出来。

将引力波与电磁波匹配开启了天文学的新时代。特别是，2017年的事件证实，中子星合并预计会产生短伽马射线暴。然后，研究人员能够测量来自这些爆发的光向光谱红色端的偏移程度，这告诉天文学家恒星的宿主星系由于宇宙膨胀而退行速度有多快。

将这些红移与从引力波计算出的距离测量值进行匹配，还可以估算出当前的宇宙膨胀率，即哈勃常数，这与使用当前方法进行的计算无关，并且可能比当前方法更精确。“从测量哈勃常数的角度来看，那是我们镀金的来源，”霍尔茨说。“老实说，”他说，“我真的很难相信宇宙真的在做这些事情。但这并非科幻小说。它真的发生了。”