黑洞是宇宙中最迷人的天體之一，但同時(shí)也是最難以捉摸的，它們異常致密，以至于光都無(wú)法逃脫。為了進(jìn)一步研究黑洞背后的秘密，科學(xué)家們轉向了一個(gè)新興的領(lǐng)域：引力波天文學(xué)。

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

Credit：MIT News

　　激光干涉引力波天文臺，每一個(gè)都帶有兩個(gè) 4 千米長(cháng)的臂并組成L型，它們分別位于相距 3000 千米的美國南海岸 Livingston 和美國西北海岸 Hanford。每個(gè)臂由直徑為 1.2 米的真空鋼管組成。

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

　　中等質(zhì)量黑洞介于超大質(zhì)量黑洞(超過(guò)太陽(yáng)的一百萬(wàn)倍)和恒星級黑洞(質(zhì)量相對較小，太陽(yáng)質(zhì)量的5-50 倍)之間。“中等質(zhì)量黑洞對于開(kāi)創(chuàng )引力波天文學(xué)的十年有著(zhù)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(xiàn))探測到。通過(guò)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(zhì)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(xué)家們還未能直接探測這些中型黑洞。他的方法是通過(guò)黑洞所釋放出的引力波中不同的振動(dòng)頻率來(lái)研究它們的活動(dòng)。正如交響樂(lè )團演奏時(shí)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(gè)階段，我們的目標將是捕捉不同頻率的信號來(lái)聽(tīng)一首來(lái)自黑洞的“完整樂(lè )曲”。

　　中型黑洞也被認為是超巨型黑洞的種子。舉個(gè)例子，黑洞通?？客淌善渌诙磥?lái)“成長(cháng)“。在黑洞周?chē)鷷?huì )形成一圈被捕捉的物質(zhì)，也就是吸積盤(pán)，強大的引力會(huì )吸引住周?chē)臍怏w、恒星、甚至是另一個(gè)黑洞。任何物質(zhì)在太過(guò)靠近時(shí)會(huì )掉入事件視界，就此永久留在黑洞里而無(wú)法逃逸。每當中型黑洞將另一個(gè)黑洞困在自己旁邊時(shí)，其引力場(chǎng)就會(huì )出現擾動(dòng)，LIGO 因而能夠通過(guò)這一擾動(dòng)來(lái)判斷發(fā)生的事件。

雙黑洞系統引力波示意圖。

　　由歐空局和美國宇航局合作的 LISA 預計將于 2034 年發(fā)射，將會(huì )是第一個(gè)搜尋引力波的太空探測器。LISA 的任務(wù)是探測并對低頻率的引力波進(jìn)行精確測量。這種程度的測量是地球上所不能進(jìn)行的。在地球上，即使是一輛路過(guò)的車(chē)輛所引起的震動(dòng)都會(huì )影響探測器的準確性。通過(guò) LISA，我們可以在中型黑洞撞擊的幾年前就開(kāi)始監視，這種引力波是直接由事件視界外時(shí)空扭曲造成的。與無(wú)線(xiàn)電波或X射線(xiàn)不同的是：引力波所傳遞的信息在穿行數光年的途中不會(huì )丟失一分一毫。

　　因此，在結合了 LIGO 觀(guān)測的高頻段引力波以及后續 LISA 測量的低頻段引力波信息，科學(xué)家們有希望填充當前對黑洞認知的空白。

　　引力波的提出可以追溯到牛頓時(shí)期。在提出萬(wàn)有引力后，人們發(fā)現經(jīng)典物理所形容的引力似乎是一種超距作用，然而超距作用并不能說(shuō)服科學(xué)家們，因而拉普拉斯率先提出，引力是通過(guò)引力場(chǎng)傳播的。

　　時(shí)間來(lái)到十九世紀，大名鼎鼎的麥克斯韋方程組問(wèn)世，預測了電磁波的存在還證實(shí)了電磁波是有速度的(光速)，因此電磁力并非是超距作用。那么，正如電磁力是由電磁場(chǎng)傳播的，而電磁場(chǎng)(電荷)的震蕩會(huì )形成電磁波，引力也是由引力場(chǎng)傳播的，那么物質(zhì)的振蕩是否也會(huì )產(chǎn)生相應的“引力波”。至此，引力波的概念正式形成。

　　此后，經(jīng)典物理幾乎再也沒(méi)有用武之地，因為牛頓時(shí)代的質(zhì)量和能量并不能劃等號，能量守恒和質(zhì)量守恒是兩個(gè)分開(kāi)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，能量的振蕩產(chǎn)生攜帶能量的電磁波，邏輯上來(lái)講沒(méi)什么問(wèn)題。但是突然說(shuō)物質(zhì)的振蕩也能產(chǎn)生攜帶能量引力波，這就很難想象。

　　1905 年，愛(ài)因斯坦提出狹義相對論，提出質(zhì)能等價(jià)，再次為引力波的存在提供了可能。十年過(guò)去后，愛(ài)因斯坦再次提出了一個(gè)可以共同描述物質(zhì)和質(zhì)量的場(chǎng)方程，這就是廣義相對論。從此以后，理論上的引力波徹底定義完成，但是在實(shí)驗上真正探測到引力波卻得等到 100 年后的 2015 年，在數代人的努力之后，LIGO 終于在 2015 年 9 月 14 號采集到了 13 億光年外兩個(gè)黑洞合并時(shí)所產(chǎn)生的引力波。

　　再回到引力波本身上，在各種宇宙射線(xiàn)和輻射中，為何只有引力波能夠突圍而出呢?正如前面所說(shuō)，物質(zhì)的振蕩產(chǎn)生攜帶能量的引力波，但是物質(zhì)原本情況下是沒(méi)有動(dòng)能或勢能的，這看上去好像不符合能量守恒。這就是狹義的偉大之處，正是因為質(zhì)能統一，引力波所攜帶的能量其實(shí)是運動(dòng)時(shí)物質(zhì)所損失的質(zhì)量(物質(zhì)振蕩時(shí)會(huì )損失一定的質(zhì)量，但是振蕩幅度必須足夠大才能產(chǎn)生足以被探測到的質(zhì)量丟失)，所以引力波恰恰是能量守恒的產(chǎn)物。

　　由此，在 13 億年前，一個(gè)質(zhì)量為 29 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和一個(gè)質(zhì)量是 36 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量黑洞在不斷接近的過(guò)程中高速繞對方旋轉，導致整個(gè)系統的物質(zhì)劇烈振蕩，最終合并成一個(gè) 62 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的大黑洞，而 3 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量通過(guò)引力波的形式傳播，經(jīng)過(guò) 13 億年的旅程來(lái)到地球，才被精密度極高的 LIGO 探測到。
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