黑洞碰撞重塑物理 來自太空重要信號開啟引力波天文學新時代
>
雙星黑洞會以引力波的形式輻射大量軌道能量。圖片來源：Mark Garlick
在宇宙尺度上，這次事件是災難性的——黑洞合并令周圍的時間和空間結構發生劇烈搖晃，並且在整個宇宙以光速發出一陣被稱為引力波漣漪的時空振動。
不過，這正是地球上的物理學家一直在等待的災難類型。去年9月14日，當這些漣漪掃過最新升級的激光干涉引力波天文台（LIGO）時，它們以峰值的形式在美國路易斯安那州和華盛頓州兩台L形探測器的讀數上露面。這是科學家第一次記錄下引力波信號。
「就是它！」LIGO團隊成員、芝加哥大學天體物理學家Daniel Holz說：「它是如此的強烈和美麗，在兩台探測器上都是這樣。」儘管信號的形狀在理論中很常見，但Holz表示：「當你在數據中看到一些東西時，會發現它完全不同。這是一個神聖的時刻。」
這個以其出現日期被正式命名為GW150914的信號，被恰當地譽為物理學的里程碑。它為阿爾伯特·愛因斯坦的百年廣義相對論提供了大量證據。廣義相對論認為，物質和能量會扭曲時空，引力則是此類扭曲的結果。在伊利諾伊大學香檳分校開展相對論計算機模擬的Stuart Shapiro，將最新發現視為「自廣義相對論提出以來，對其進行的最重要確認」。
不過，此次事件還標誌著期待已久的引力波天文學時代的開啟。對該信號的詳細分析，已收穫了關於合并黑洞性質以及它們如何形成的深入見解。隨著更多此類事件的出現（LIGO團隊正分析在探測器4個月的運行中捕捉到的若干其他候選事件），研究人員將能分類並理解黑洞的起源，就像他們正在對恆星所開展的工作那樣。
更多此類事件應當會出現。自去年9月起，升級版LIGO被安排和其歐洲「同行」——由法國和義大利主導的升級版Virgo設施共同觀測。升級版Virgo位於義大利比薩附近，其不僅將為此類事件貢獻關鍵細節，還會幫助天文學家比此前更加精確地測量宇宙學距離。
黑洞質量估測
通過利用計算機模擬重現此次事件，科學家計算得出，兩個黑洞分別是太陽質量的約36倍和29倍，並且合并後的黑洞是太陽質量的約62倍。失去的差值是太陽質量的3倍左右，以引力輻射的形式散開。其中，大部分是在被物理學家稱為「衰盪」的階段消散的。此時，合并的黑洞變成球形。該團隊還推測，最終的黑洞可能以每秒100轉的速度旋轉，儘管這一估測的誤差幅度很大。
推測出的兩個黑洞的質量也正在揭示一些事情。根據推斷，每個黑洞都是一顆大質量恆星的殘留物，其中較大恆星的質量接近太陽質量的100倍，而另一顆要小一點。研究發現，和較輕的恆星相比，熱核反應能將此類恆星核心處的氫以快很多的速度轉化成氦，而這導致它們僅在「出生」的幾百萬年後，便在自身的壓力下崩塌。這種崩潰釋放的能量引發了被稱為Ⅱ型超新星的爆發，並且留下一個變成中子星的殘留核心。如果它的質量足夠大，則會變成黑洞。
科學家認為，Ⅱ型超新星不應當產生比太陽質量大30倍左右的黑洞，而上述兩個黑洞均處於這一區間的高端。這意味著，該系統形成於比通常在銀河系發現的氣體雲更加富含氫和氦但相對缺乏重元素的星際氣體雲中。
荷蘭內梅亨大學天文學家、升級版Virgo協作組成員Gijs Nelemans介紹說，根據天體物理學家的估算，形成於此類低金屬度氣體雲的恆星應當在爆發時更容易形成大質量黑洞。這是因為在超新星爆發期間，較小的原子被爆發吹走的可能性更小。因此，低金屬度恆星「失去更少的質量，更多質量則進入到黑洞中」。
兩種場景
不過，這兩個黑洞是如何在二元體系中終結的？在報告此項發現的論文發表的同時，LIGO和Virgo團隊在另一篇文章中描述了兩種普遍認可的場景。
最簡單的場景是，兩顆質量巨大的恆星以雙星系統的形式誕生，並由像雙黃蛋一樣的相同星際氣體雲形成，且自此相互圍繞運行。在幾百萬年後，其中一顆恆星將會燃盡並且變成超新星，另一顆也很快緊隨其後。結果便是一個雙星黑洞。
第二種場景是兩顆恆星獨自形成，但內部仍是擁有相同密度的星團——可能類似於圍繞銀河系運行的球狀星團。在這樣一個星團中，大質量恆星會向中心沉降，並且通過和較輕的恆星產生複雜的互動形成雙星系統，而這可能是在它們轉變成黑洞的很久之後發生的。
由萊頓大學天體物理學家Simon Portegies Zwart運行的模擬表明，大質量恆星更有可能在碰撞和合并更加常見的緻密星團中形成。他還發現，一旦雙星黑洞系統形成，星系團中心複雜的動力學機制可能會以很高的速度將兩顆恆星踢走。升級版LIGO探測到的雙星或許在合并前已有幾十億年的時間遠離任何星系。
空間藝術
儘管探測到更多此類事件將幫助LIGO開展很多科學研究，但它的干涉儀具有內在的局限性，因此同目前正在上線的類似探測器構成的全球性網路共同努力變得很有必要。
首先，對於科學家來說，LIGO的兩台干涉儀並不足以精確地判定引力波來自何處。研究人員能通過比較信號到達每台探測器的時間獲得一些信息：這種差別使其得以計算引力波相對於在兩者間所劃假想線的方向。不過，對於記錄了6.9毫秒時間差的此次事件來說，科學家的計算僅將範圍限制在一大片南方天空。
如果Virgo上線運行，科學家便能通過比較引力波到達3個地方的時間，極大地縮小方向範圍。在第四台干涉儀的幫助下，他們的精確度將會進一步提高。目前，日本正在建造一台被稱為KAGRA的地下干涉儀，而印度也在規劃自己的LIGO。
反過來，知道事件發生的方向將會消除在確定其到地球的距離時存在的最大不確定性之一。Virgo發言人、羅馬智慧大學物理學家Fulvio Ricci介紹說，從精確垂直於探測器的方向趨近的引力波將會在它們的實際振幅上被記錄下來。然而，根據一個熟知的公式，來自天空中其他方向的引力波將以一定的角度撞擊探測器，並且產生某種程度上相對較弱的信號。這其中甚至會有一些盲點，導致既定的探測器根本無法發現引力波來源。
因此，判定方向將揭示引力波的確切振幅。通過將這一數據和源頭處引力波的振幅（可從信號形狀得出）進行比較，以及通過知曉振幅如何隨著距離縮減（可從愛因斯坦的理論得出），研究人員便能以更高的精度計算出源頭的距離。
這樣的情形幾乎是史無前例的：按照慣例，天文距離需要通過研究處於太陽繫到遙遠星系範圍內的已知天體的亮度計算得出。然而，中間的天體會讓這些測得的「標準燭光」的亮度變暗淡。引力波則擺脫了這種限制。（宗華）
※時空彎曲：天體物理學新發現獲突破 何為引力波？
※物理學家計算出大爆炸後引力波信號的精確頻率
※最新消息：天文學家認黑洞融合產生的引力波可以測量重力
※引力波新發現引領「多信使天文學」新時代，堪稱宇宙級盲人摸象
※引力波天文學的興起
※超重磅！引力波革命性新發現：刷新宇宙
※激光干涉引力波天文台探測到的引力波事件中的黑洞
※時空漣漪「攪動」物理學界熱議 美國三巨頭因引力波發現而獲得諾貝爾物理學獎
※天文學家再次檢測到引力波，引力波是我們探索宇宙的關鍵線索！
※激光干涉引力波天文台升級完成 重新上線尋找引力波
※引力波「踢飛」巨型黑洞
※引力波天文學之七
※天文學家利用引力波探索黑洞起源
※引力波觀測的意義：為認識宇宙打開一扇新窗口
※引力波新發現引領「多信使天文學」新時代，堪稱宇宙級盲人摸象｜科普
※引力波數據暗示防火牆或其他奇異物理學跡象
※國之重器「慧眼」，用張開的眼睛探索引力波新時代
※來自早期宇宙的古老信號：科學家計算在大爆炸之後出現的引力波源
※天文學家發現一個被引力波甩出星系中心的超大質量黑洞