乘著引力波，我們去看看30億年前的雙黑洞！

2016年的2月和6月，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉儀引力波天文臺）和Virgo（室女引力波探測器）科學組織聯合，先后公開宣布了兩次探測到的引力波事件，一下子在全世界掀起了引力波的關注和研究熱潮，而且這被認為是科學史上100年來的最大突破。而在剛剛過去的2017年5月31日北京時間11點（美國東部時間早晨11點），LIGO和Virgo科學組織召開了一次內部媒體發布會，宣布了第三例引力波合并事件。新當選的LIGO發言人是麻省理工學院的大衛?舒梅克(David Shoemaker)教授，他宣布此aLIGO在2017年的1月4日發現了來自于兩個黑洞合并的引力波，此事件被命名為GW170104。

GW170104雙黑洞系統想象圖

值得一提的是，在引力波的觸發方式上，這次的引力波和前兩次引力波不同。對于一個正常的引力波，會同時被位于美國路易斯安納州Livinston和華盛頓州Hanford的探測器探測到。被觀測到之后，數據會被實時地進行分析比對。如果兩個探測器都探測到了可能的引力波信號，那么分析程序就會觸發自動報警，說明可能的引力波被探測到了。前兩次的引力波就在被探測到的幾分鐘之內，系統就自動觸發報警探測信號。然而這次卻沒有。不過在例行的數據檢查中，這個引力波信號首先在Livingston的觀測數據中被發現，當LIGO的科學家們再回頭去看Hanford的數據時，發覺Hanford其實也觀測到了，只是因為校對數據設置得不對，所以此信號才沒有被觸發。這個設置并不影響數據本身，所以在之后的離線處理過程當中，使用更高精度的校對文件，確認了這是一次真正的引力波事件。此次發現的引力波信號僅僅持續了大約0.25秒。

觀測到的引力波頻率演化圖和引力波信號時標對比圖。

黑洞看似神秘，實為宇宙間最為簡單的一類天體，通常只需三個量（質量，自轉和電荷）就可以描述一個理論上的黑洞，物理學家把這稱為“三毛定理”（或“無毛定理”）。對于宇宙當中真實存在的黑洞而言，描述就更為簡單，只需要質量和自轉兩個量。（因為黑洞周圍通常存在著自由電荷，即使黑洞本來帶電荷，也很容易達到中性。）質量和自旋都會決定觀測到的引力波波形，所以一旦測量到了引力波，通過波形比對，我們就可以知道黑洞合并前后的這些物理量的大小了。

通過比對此次觀測的波形和不同參數模型，LIGO的科學家們得出結論：此次發現的引力波事件和之前的兩例類似，也是來自于兩個黑洞的合并。在合并之前，兩個黑洞的質量分別為31.2和19.4個太陽質量，合并后產生了一個48.7太陽質量的黑洞。而消失的接近兩個太陽質量，在黑洞合并的一瞬間，以引力波的形式釋放出去了，而那一刻所產生的能量要比整個宇宙中所有恒星釋放出來的能量之和多幾十倍。之前的引力波確認了62和21個太陽質量黑洞的存在，這一次的49個太陽質量的黑洞，介于兩者之間，無疑讓我們確信高于20個太陽質量黑洞的普遍存在。

引力波探測到的黑洞（藍色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。新探測的黑洞系統GW170104用綠色標出。

此外，借助觀測到的引力波波形，科學家們也對黑洞的自轉做出了測量。在天文學中，我們通常使用一個介于0-1之間的數值，來表示黑洞轉動的快慢。數值0意味著沒有任何轉動，1對應著黑洞視界面上的轉動速度為光速。限于數據質量的精度（誤差較大），科學家們目前僅對合并后的黑洞轉動快慢做出了限制，數值約為0.64，即黑洞視界面的轉動速度約為光速的一半。

在除過對黑洞的自轉之外，還對自轉的方向得到了測量。但通過模型比對，我們至少可以知道，兩個黑洞都存在著所謂“進動現象”（precession），也就是說，黑洞自身轉動方向和兩個黑洞繞轉的軌道平面并不完全一致，存在著一定夾角。雙黑洞有兩中主要的形成機制，一種是原生系統，另外一個是通過交換。進動現在的存在傾向于是通過交換方式產生了雙黑洞系統。這是首次從觀測上給出黑洞系統形成機制的證據。

我們看到，美國和歐洲的引力波天文臺目前在主導著引力波的探測工作，過去是，接下來的一段時間還是。但是隨著LIGO探測的推進，中國的引力波探測方面已經迎來一股前所未有的熱潮。目前，太極計劃和天琴計劃這兩個空間項目正各自推進，將于地面探測原初引力波的阿里計劃（位于西藏阿里地區）已通過立項，并開始建設。除此之外，中國還準備利用剛剛建好的500米射電望遠鏡（FAST）和正在建設的平方公里陣（SKA），以脈沖星計時陣的方式探測引力波。

引力波漫漫其修遠兮。在5月31日的發布會上，有聽眾向科學家提出了這樣的問題：你期待10年之后LIGO或引力波天文學能做出什么新發現呢？大衛·舒梅克回答道：“我期望著能有完全意想不到的、完全超出我們的想象事件的發生。”宇宙就是這么奇妙，而引力波已經向我們證明了這一點，在未來也將證明更多。

編輯：紀阿黎

（專家：茍利軍，現任中國科學院國家天文臺研究員，黑洞及其高能爆發現象研究小組負責人，中國科學院大學教授，科普中國微平臺原創首發）