引力波:首次直接发现双黑洞 将看到宇宙最早期

　　所幸，有的黑洞处于双星系统当中，就像发布会中提及的系统，而且另外一个天体是正常的恒星(也称之为伴星)。在这种情形之下，黑洞会从正常恒星上吸积气体，在其周围产生一个吸积盘，以至于某些时候吸积气体的量过多，不能被黑洞直接吞掉，这时还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去，从而产生非常壮观的喷流。正是因为吸积盘和喷流的存在，他们都能够产生我们非常熟知的电磁辐射(也就是有我们熟知的光子产生)，从而我们利用传统的探测方式，比如地面或者太空的望远镜，就可以间接地探测黑洞的存在。

　　大约在50年前，人类就是利用此方法发现了了第一个黑洞候选体，天鹅座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年，地球上两颗聪明的大脑、理论物理学家霍金和好朋友基普?索恩就这个候选体是不是黑洞而打了个赌，他们以一年的成人杂志《阁楼》作为赌注。后来的观测是利用天鹅座X-1中的伴星运动测得了黑洞质量，大约为15个太阳质量，从而霍金认输并且在两人的赌书上签名按上了自己的手印。基普? 索恩从那时就赢了。

　　对于双黑洞系统，他们几乎不会产生能够为传统方式所观测到的光子。所以，即使它们存在，利用传统的观测方式，我们也不能发现他们。况且，很多的人都怀疑它的存在。但是，在双黑洞绕转，尤其是合并之时，会产生很强的引力波。只要引力波探测器足够灵敏，我们就可以发现它们的踪影。面对大家的怀疑，LIGO的发现用事实证明了它的存在。而此次发现引力波的天文台的创建人之一就是基普?索恩——索恩教授又一次赢了。

　　引力波为黑洞做名片

　　在观测到了完整的引力波形之后，利用一种叫做匹配滤波(waveform matching)的方法，理论上就可以推断出系统的性质信息，包括合并之前和之后。比如，对于双黑洞系统，可以推断出合并之前的黑洞质量，自旋和轨道，以及合并之后的质量和自旋。此次新闻发布会中所提及的引力波事件，就得到黑洞的质量在合并之前是26和39太阳质量，合并之后是62太阳质量(合并之前的两个黑洞自旋参数值限制的并不是很好)，合并后黑洞是一个克尔黑洞，其自旋参数值为0.67。

　　你或许会有疑问，合并之后怎么少了3个太阳质量，它跑到什么地方去了?引力波也是携带能量的，在黑洞合并之时，它的形状非常不对称，不是我们看到的单个黑洞的球形，所以在振荡恢复的过程当中，一部分质量就通过引力波的方式辐射出去，从而为我们所接收。合并的时间非常之短，仅仅在大约0.05秒的时间，就将3个太阳质量(大约6.0E30公斤)的能量就通过引力波的方式释放出去，也就是说在一秒钟可以释放出大约10^32公斤的能量。相比较之下，我们的整个宇宙包含了大约1.0E22个太阳，而每个太阳每秒钟向外辐射大约4.0E9公斤的物质能量，所以黑洞合并的最后释放出比整个宇宙每秒钟辐射出的电磁总能量还要高出3倍。

　　双黑洞系统在不同阶段所产生波形随时间演化图。双黑洞系统的演化包括三个阶段：旋近(inspiral), 合并(merger)和铃振(ring down)阶段。 图片来自LIGO所发文章

　　我们注意到，合并前黑洞的质量为26和39太阳质量——这两个质量都比目前已知的恒星级黑洞要重许多。我们现在已经确认了大约20多个恒星级黑洞，最重的恒星级黑洞位于M33 X-7系统中，为16个太阳质量。而其它所有确定的黑洞质量均比这个小，大多数是七八个太阳质量左右。尽管理论之前预言了更大质量的黑洞的存在，但是之前从来还没有发现过，所以此次发现更大质量黑洞，对于黑洞的形成渠道也有着重要影响。

　　我们所看到的所有恒星，都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言，它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转，天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示，它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞(也叫“史瓦西黑洞”)，而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值(也叫“极端克尔黑洞”)。对于此次观测中合并以后的黑洞，它的自旋参数为 0.67。如果我们以转速来描述，它在以每秒钟100转的速率转动。相较而言，我们刚才提到的人类第一个黑洞“天鹅座X-1”，它是一个极端克尔黑洞，差不多在以超过1000转每秒的速率转动。

　　如果你觉得转速依旧很难理解，那我们可以想象一下《星际穿越》电影的一个情节，主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时，但是后来却发现飞船上已经过了23年，时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差，其中条件就行星极度靠近黑洞的同时，黑洞也以最大速度转动。按照相对论理论所言，这样行星上的时间就会被极大的拉长。天鹅座黑洞的转速就具有类似于电影中卡刚都亚黑洞那样的转速。对于此次引力波探测到黑洞而言，即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在，那么对于它的时间也会流逝的很慢，不过不会有6万倍那么大的差别，最多也就2倍左右。

　　对于黑洞而言，有着非常著名的无毛定理，也就是说黑洞只需要简单的几个量就可以描述。对于宇宙当中的黑洞，只需要我们上面所说的质量和自旋参数就可以完整的描述。当我们知道了黑洞的质量和自旋参数一些性质时，我就可以很容易的对黑洞本身的全貌做出一个描绘，就如同给出了一个人的完整自画像。而引力波的方法可以快速给出黑洞的完整信息，这相比较传统的观测方式，更为有效，尽管在观测方面有些困难。加拿大华人网 http://www.sinoca.com/