在黑洞的世界裡，瘦子也有春天

還記得今年2月11日，家人在電視機面前吃瓜子看電視，筆者則待著在電腦前焦灼興奮地等待一件大事的宣布。

如今，這件大事已家喻戶曉，就是人類首次直接探測到了引力波。探測到引力波的英雄是升級後的激光干涉儀引力波天文台（advanced Laser Interferometer Gravitational wave Observatory; aLIGO），LIGO和引力波分分鐘刷爆朋友圈。

對於大眾，餘熱未減，新喜又來。

當地時間2016年6月15日，在聖地亞哥舉行的天文學會第228屆年會上，aLIGO科學合作組織和歐洲VIRGO科學合作組織宣布，aLIGO於2015年12月26日再次探測到了引力波，本次引力波事件稱為GW151226，對應的置信度達5.3倍標準差，超過了5倍標準差，表明它是一次真實的引力波事件。

會上專家們還發布了一個疑似引力波事件LVT151012，置信度只有約1.7倍標準差。

先來回顧下首次探測到的引力波事件。2015年9月14日，aLIGO首次探測到引力波，對應的是質量分別為29倍和36倍太陽質量的兩個黑洞不斷靠近的相互繞轉直至併合，形成一個62倍太陽質量的黑洞，損失的3倍太陽質量以引力波的形式釋放出去。根據該引力波事件被探測到的時間，它被稱為GW150914。

再見到的GW151226和第一次探測到的GW150914有啥異同點呢？藝術家們是這麼認為的：

圖1：藝術家對GW150914（左下角）和GW151226（右上角）的想像圖。

喜歡列表比較的筆者將信息收集如下：

從上表可以看出，置信度都大於5倍標準差，表明它們應該是真實的引力波事件。第二次探測到的引力波事件GW151226對應的雙黑洞質量更小，引力波的峰值強度更低，在LIGO頻率探測範圍內持續的時間更長，橫跨的頻率更寬。這是為什麼呢？

在《星際穿越》一書中，基普?索恩用拉伸線和擠壓線來表示空間受到的影響。如果一個人躺在拉伸線上，將感覺到自己身體被拉伸，而躺在擠壓線上，將感覺到自己身體受到擠壓。如果一對雙黑洞相互繞轉，它們將拖拽著周圍的拉伸線和擠壓線轉動，形成一個由拉伸線和擠壓線所結成的網路，這個網路將隨著時間而擴張開來，就形成了引力波。引力波就相當於彎曲時空的傳播。

雙黑洞系統質量越大，對時空的彎曲程度也會更大；雙黑洞繞轉得越快，彎曲時空的傳播頻率也就更高，即產生的引力波頻率越高。雙黑洞繞轉快慢和產生的引力波頻率之間有什麼直觀的數值關係嗎？有，最簡單的情況下，對於相互繞轉的雙黑洞系統，當每秒鐘轉50圈時，對應的引力波頻率是50赫茲的兩倍——100赫茲。

GW151226對應的雙黑洞併合事件損失的能量比GW150914更低，因此對應的引力波的峰值強度更低。LIGO敏感的頻率範圍是幾十到幾千赫茲，一旦信號的頻率在這個範圍之內，就會被LIGO記錄下來。

由於繞轉過程中角動量的損失，兩個黑洞靠得越來越近，最後併合擁抱。黑洞的質量可近似正比於其體積，黑洞質量越大，就相當於黑洞越胖。

兩個胖子黑洞相互繞轉，可能都快擁抱彼此了，才會轉得很快，對應的引力波頻率才會足夠高，進入LIGO的敏感範圍，即被LIGO探測到。

而兩個瘦子黑洞在還離得挺遠時，就能轉得比較快，比如每秒鐘繞轉幾十圈，於是就能被LIGO給發現了。

如此一來，對於兩個胖子黑洞來說，LIGO這位家長就只能監測它們從距離彼此很近到擁抱彼此的過程；而對於兩個瘦子黑洞卻能監測到它們從距離彼此較遠到擁抱彼此的過程。GW151226就像兩個瘦子黑洞的舞蹈記錄；而GW150914宛如兩個胖子黑洞的舞蹈。

圖2：LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,右圖)探測器所觀測到的GW150914引力波事件。圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。兩個圖均顯示了GW150914的頻率在0.2秒的時間裡面「橫掃」35Hz到250Hz。GW150914先到達L1，隨後到達H1，前後相差7毫秒——該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。（此圖編輯自Abbott et al., 2016, PRL, 116, 061102的圖1）

圖3：LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,右圖)探測器所觀測到的GW151226引力波事件。圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。兩個圖均顯示了GW150914的頻率在約1秒的時間裡面「橫掃」35赫茲到450赫茲。GW151226先到達L1，隨後到達H1，前後相差1.1毫秒——該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。（此圖編輯自Abbott et al., 2016, PRL, 116, 241103中的圖1）

儘管兩個瘦子黑洞舞蹈的能量弱，對應的引力波幅度低，可能會埋沒在雜訊中無法被識別出來。大家也可以從圖2和圖3的最後一行看出，GW150914比GW151226更加明顯。可是世界是公平的，雖然幅度低，兩個瘦子黑洞舞蹈所產生的引力波在LIGO的敏感範圍內持續的時間更長（雖然也才是秒的量級），跨越的頻率範圍更寬，這些優勢在一定程度上會幫助人類從數據中發現它們。

看來，在黑洞的世界裡，瘦子黑洞也是有春天的，但瘦子黑洞也不能太瘦，否則即使它的頻率範圍跨度再綿長，也拯救不了其幅度太小的悲劇。當然，這些優勢在解決問題面前是微弱的，最終還是要基於對雙黑洞併合的數值模擬和對信號、雜訊的理解分析，才能最終識別出信號是否為引力波事件。

由於目前探測到引力波信號的LIGO只有兩個探測器，彼此相距3003千米，只能定出引力波源的大概位置，精度在幾百到上千平方度範圍之內，而無法得到精確位置。近日的發布會透露，VIRGO引力波探測器即將升級完成，屆時與LIGO的聯合觀測將幫助確定引力波源的精確位置，隨著更多引力波探測器的加入，位置的確定也將不再是問題。

目前，中國也正在積極籌建地面和空間引力波探測器，包括在阿里地區建設、旨在探測原初引力波的阿里實驗計劃，關注低頻引力波的空間引力波探測計劃——太極計劃和天琴計劃。

最後，引用清華大學天體物理中心主任、中科院國家天文台星系宇宙學部主任毛淑德教授的原話來表達筆者對中國引力波探測領域的信任和祝福，「中國在此領域的挑戰和機遇並存，我們通過紮實的預言和充分的論證，完全可以在此世界強國激烈競爭的前沿領域佔據一席之地並取得突破」。

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