認(rèn)識(shí)黑洞的一塊重要拼圖

相較于此前兩次熱鬧的引力波事件，這次發(fā)現(xiàn)有什么重大意義嗎？對(duì)科學(xué)家們來說，意義不小。

如果你還記得的話，之前的兩次黑洞合并，最后形成的黑洞的質(zhì)量分別62（第一次）和21（第二次）個(gè)太陽質(zhì)量。在LIGO探測(cè)到黑洞之前，單純從理論的角度計(jì)算，宇宙中很難產(chǎn)生高于20個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞。

即便是從觀測(cè)角度看，我們?cè)陔姶挪ǘ慰吹降淖畲筚|(zhì)量黑洞也只有15個(gè)太陽質(zhì)量，所以人們通常認(rèn)為，更高質(zhì)量黑洞在宇宙中是不存在的。

然而，LIGO給了我們一個(gè)驚喜！

更大質(zhì)量的黑洞的的確確存在于我們的宇宙之中。在這次探測(cè)中，人類又發(fā)現(xiàn)了49個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞，進(jìn)一步確認(rèn)了更高質(zhì)量黑洞的存在，擴(kuò)大了我們對(duì)于黑洞的認(rèn)知。

圖4：引力波探測(cè)到的黑洞（藍(lán)色和綠色）和電磁輻射探測(cè)到的黑洞（紫色）對(duì)比圖，引力波探測(cè)到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。圖中綠色的是新探測(cè)的黑洞系統(tǒng)GW170104。引力波探測(cè)到的黑洞（藍(lán)色和綠色）和電磁輻射探測(cè)到的黑洞（紫色）對(duì)比圖，引力波探測(cè)到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。新探測(cè)的黑洞系統(tǒng)GW170104用綠色標(biāo)出。

此外，借助此次引力波事件，科學(xué)家們也對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)做出了限制。

在天文學(xué)中，我們通常使用一個(gè)介于0-1之間的數(shù)值，來表示黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。數(shù)值0意味著沒有任何轉(zhuǎn)動(dòng)，1對(duì)應(yīng)著黑洞視界面上的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為光速。

限于數(shù)據(jù)質(zhì)量的精度（誤差較大），科學(xué)家們目前僅對(duì)合并后的黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)快慢做出了限制，數(shù)值約為0.64，即黑洞視界面的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為光速的一半。

盡管對(duì)于合并之前黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)未做出很好的限制，但通過模型比對(duì)，我們至少可以知道，兩個(gè)黑洞都存在著所謂“進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象”（precession），也就是說，黑洞自身轉(zhuǎn)動(dòng)方向和兩個(gè)黑洞繞轉(zhuǎn)的軌道平面并不完全一致，存在著一定夾角。

我們最為熟悉的“進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象”，莫過于小時(shí)候玩過的陀螺——陀螺飛旋，除了自身的轉(zhuǎn)動(dòng)之外，還會(huì)圍繞一個(gè)大圈進(jìn)行繞轉(zhuǎn)，這種自傳物的自轉(zhuǎn)軸又繞著另一軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，便是進(jìn)動(dòng)了。

而且，這一大事件還幫助科學(xué)家對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成機(jī)制做出了限制。

目前有兩種不同的理論，用以解釋雙黑洞的形成：其一是原生雙星系統(tǒng)，即兩個(gè)大質(zhì)量恒星誕生之初就在一起，之后一同演化到老，最終形成雙黑洞系統(tǒng)；根據(jù)觀測(cè)估計(jì)的話，銀河系中有一半恒星處于雙星系統(tǒng)當(dāng)中，所以這種形成機(jī)制還是很有可能的。

另外一種形成機(jī)制是雙黑洞形成于星團(tuán)當(dāng)中，最初的系統(tǒng)本來是一個(gè)黑洞和一個(gè)正常恒星，當(dāng)該系統(tǒng)碰到另一黑洞時(shí)就會(huì)形成三體系統(tǒng)，恒星質(zhì)量通常比黑洞小很多，所以恒星會(huì)被大質(zhì)量的黑洞替換掉踢出系統(tǒng)，從而由原來的單黑洞系統(tǒng)變?yōu)殡p黑洞系統(tǒng)。因?yàn)樾菆F(tuán)中心通常比較致密，這種可能性也很大，無論是從理論還是數(shù)值模擬，都已證明了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

那么，到底哪一種雙黑洞系統(tǒng)的產(chǎn)生機(jī)制更靠譜呢？

按理論預(yù)計(jì)，原生雙星系統(tǒng)誕生于同一片星云，兩個(gè)黑洞的有效旋轉(zhuǎn)方向和軌道運(yùn)動(dòng)方向通常是一致的。對(duì)于第二種交換方式而言，兩個(gè)黑洞的旋轉(zhuǎn)方向無需一致，可以指向任何方向，從而導(dǎo)致兩黑洞整體的有效旋轉(zhuǎn)方向和軌道運(yùn)動(dòng)方向不一定一致。

此次引力波觀測(cè)擬合結(jié)果由此投出了重要一票：兩黑洞的有效旋轉(zhuǎn)方向和系統(tǒng)軌道運(yùn)動(dòng)方向不一致，傾向于第二種形成機(jī)制，是通過交換方式產(chǎn)生了雙黑洞系統(tǒng)。

一條引力波研究的漫漫長(zhǎng)路

驚喜不少，遺憾也還是有的。

因?yàn)閷?shí)在太過遙遠(yuǎn)，我們看不到黑洞合并所在的星團(tuán)，甚至連引力波所在的星系都沒看到。主要原因在于目前引力波的定位還是很差，畢竟幾百平方度的范圍之內(nèi)包含著多達(dá)幾十萬個(gè)星系。

今年秋天，歐洲的Virgo探測(cè)器將一起加入觀測(cè)，我們到時(shí)就有了三個(gè)探測(cè)器，觀測(cè)的空間精度將會(huì)大大提高。

當(dāng)然，最理想的情況是引力波源能有對(duì)應(yīng)的電磁波輻射，我們就能夠同時(shí)進(jìn)行多信使（比如，X射線或者光學(xué)）的觀測(cè)，從而精確確定其發(fā)生的空間位置。

LIGO每次探測(cè)到引力波事件，都會(huì)及時(shí)將相關(guān)信息發(fā)送給合作伙伴，到目前為止，還沒有觀測(cè)到任何電磁對(duì)應(yīng)體。黑洞系統(tǒng)在合并之前已不存在什么氣體，所以不會(huì)產(chǎn)生任何電磁輻射，三次探測(cè)結(jié)果也向我們證明了這一點(diǎn)。

但我們還有機(jī)會(huì)。

并非所有人類能夠探測(cè)到的引力波都來自沒有任何其它輻射的黑洞合并。雙中子星合并、中子星與黑洞合并，以及超新星爆發(fā)等等，都會(huì)在產(chǎn)生引力波的同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射。只不過受限于靈敏度，我們還沒觀測(cè)到而已。

可以確定的是，接下來隨著探測(cè)能力的提高和更多引力波望遠(yuǎn)鏡的建立，我們肯定會(huì)看到來自其它天體的引力波以及他們的對(duì)應(yīng)體。

眼下，美國(guó)和歐洲的引力波天文臺(tái)正主導(dǎo)著引力波的觀測(cè)工作，隨著LIGO探測(cè)的推進(jìn)，中國(guó)的引力波研究也隨之進(jìn)入了一股前所未有的熱潮。

在理論研究的同時(shí)，中國(guó)也在積極推動(dòng)直接探測(cè)引力波的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。

目前，太極計(jì)劃和天琴計(jì)劃這兩個(gè)空間項(xiàng)目正各自推進(jìn)，將于地面探測(cè)原初引力波的阿里計(jì)劃已通過立項(xiàng)，并開始建設(shè)。

除此之外，中國(guó)還準(zhǔn)備利用剛剛建好的500米射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）和正在建設(shè)的平方公里陣（SKA），以脈沖星計(jì)時(shí)陣的方式探測(cè)引力波。

引力波探測(cè)之路漫漫其修遠(yuǎn)兮。在昨晚的發(fā)布會(huì)上，有聽眾向科學(xué)家提出了這樣的問題：你期待10年之后LIGO或引力波天文學(xué)能做出什么新發(fā)現(xiàn)呢？大衛(wèi)·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(fā)生?！?

宇宙就是這么奇妙，引力波已經(jīng)向我們證明了這一點(diǎn)，還將繼續(xù)證明給我們看。