激光干涉引力波天文台探測到的引力波事件中的黑洞

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美猴王駕到

2016 年2 月11 日，LIGO 宣布探測到了兩個黑洞併合產生的引力波(圖1)[1]，如果最後得到驗證，我認為這就是人類探索宇宙的第5 個裡程碑！前4 個裡程碑分別是：(1)400 多年前伽利略發明了光學望遠鏡，使得人類的視野得到大大擴展；(2)20 世紀30 年代楊斯基發現了銀河系的射電輻射，使得人類首次能夠在可見光波段以外探索宇宙；(3)20 世紀60—70 年代賈克尼使用火箭和衛星發現了太陽系外的第一批X射線源，使得人類首次能夠在地球大氣層以外探索宇宙；(4)20世紀80 年代末戴維斯和小柴昌俊發現了來自超新星爆發的中微子信號，使得人類首次能夠利用電磁波以外的信號探索宇宙。

圖1 產生GW150914 引力波事件的兩個恆星級質量黑洞併合的示意圖

根據我研究發現的廣義美的判斷法則，審美的兩個要素就是「沒缺陷」和「不常見」。一個人的價值觀決定某審美對象是否沒缺陷，見識判斷是否不常見，同時滿足「沒缺陷」和「不常見」兩個條件的審美對象就被感覺是「美」的，這是判斷「美」的充分和必要條件。以此類推，同時滿足「沒缺陷」和「很常見」兩個條件的審美對象為「俗」，同時滿足「有缺陷」和「很常見」兩個條件的審美對象為「丑」，同時滿足「有缺陷」和「不常見」兩個條件的審美對象為「丑哭」，而「完全沒缺陷極端不常見」的審美對象就是「美哭」！

我們首先考察一下在「 沒缺陷」 方面GW150914 的表現。這個事件驗證了三件事情：(1)愛因斯坦廣義相對論的引力波預言；(2)激光干涉引力波的探測原理；(3)我們論文中黑洞併合沒有其他輻射的預言[2]。其中第一件是大家廣泛談論的。但是第二件也非常重要，實際上很多人對這樣的引力波探測原理是否正確並沒有完全的信心，因為歷史上曾經有過也是根據廣義相對論效應研製的引力波探測器擺了烏龍。第三件事情對我們(我和我的學生)非常重要，因為儘管眾多的空間和地面的望遠鏡都進行了搜尋，這次的引力波事件看來的確沒有伴隨(強烈的)電磁波爆發，和我們2009年論文的預言一致[2](後面我還會介紹我們預言的廣義相對論基礎)。因此GW150914 滿足了我們所有的期望，當然是完全的「沒缺陷」(尤其是對我而言，因為審美完全是審美主體的主觀感受！)

在「不常見」方面GW150914 的表現更為突出：(1)這個項目團隊經過了幾十年的努力才獲得了第一個科學成果，這在科學史上應該是史無前例的；(2)LIGO 是地球上最精密的距離變化測量儀器，能夠測量到在4 km的尺度上小於一個質子的直徑千分之一的距離變化；(3)報道這個結果的學術論文由上百個單位的上千個作者的署名，同時這個事件至少導致上億個手機被刷屏；(4)實現了五個「第一次」：直接探測到引力波；人類利用一種從來沒有被直接探測到的信號——引力波——探索宇宙；發現兩個黑洞的系統(以前有兩個黑洞系統的一些線索，但是證據都不夠充分)；「聽」到兩個黑洞的併合；以及發現了兩個大約30 倍太陽質量的黑洞(這的確是一個完全的意外，因為以前得到精確測量的黑洞質量都是幾倍到十幾倍或者遠遠大於上百倍太陽質量)；(5)宣布科學成果不到三個月就獲得了「科學突破」大獎！因此GW150914的表現是極端的「不常見」。

既然GW150914 的表現是「完全沒缺陷極端不常見」，符合前面所講的「美哭」的標準，被戴上「 美猴王」 的桂冠是恰如其分的！ 而GW150914 的「完全沒缺陷極端不常見」又和這個事件來自於兩個黑洞的併合關係密切，所以本文的重點就是黑洞。由於最近媒體和很多文章都介紹了關於黑洞的很多知識，因此本文就從不同的角度回答有關黑洞的幾個問題：為什麼愛因斯坦不相信黑洞存在？怎麼知道這樣的天體是黑洞？物質是如何掉到黑洞裡面的？如何獲得獨立的證據證明這樣的引力波事件的確來自於黑洞的併合？探測這樣的引力波事件對於我們理解黑洞有什麼進一步的作用？

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愛因斯坦不相信黑洞

1915 年愛因斯坦發表了廣義相對論理論後，卡爾·史瓦西( Karl Schwarzschild )很快就給出了廣義相對論場方程第一個解析解，也就是不旋轉的球對稱分布質量周圍的時空幾何，後來被稱為史瓦西度規或者史瓦西解。這個解對應的就是黑洞，它有兩個重要特徵：一個就是在史瓦西半徑處(RS= 2GM/c2，其中G是萬有引力常數，M是黑洞的質量，c 是光速)，光線的紅移無限大，也就是光線無法從此處以及更靠里的地方逃出去，被稱為事件視界(以下簡稱「視界」)；另外一個就是其中心的地方所有的物理量都發散，也就是趨向於無窮大。如果把太陽這樣質量的天體變成一個黑洞，就需要把它壓縮到半徑只有大約3 km。愛因斯坦不認為視界的存在有什麼問題，但是他認為自然界中不能有發散的物理量(視界處光線的紅移趨向於無窮大意味著光子的能量趨向於零，所以不是發散)，因此愛因斯坦認為史瓦西解僅僅是一個數學的解，不能對應自然界的天體。

從20 世紀30 年代開始，廣義相對論和量子力學應用到恆星演化的後期，預言了具有不同質量的恆星在耗盡其熱核能源後，最終可能會塌縮成為性質完全不同的緻密天體，如白矮星、中子星，或者黑洞。小質量的恆星，例如太陽，最終會成為一顆白矮星，其內部的電子簡併壓力能夠足以和其引力達到平衡。錢德拉塞卡指出，當更大質量的恆星形成的緻密天體的質量超過大約1.4倍太陽質量時，也就是所謂的錢德拉塞卡極限，該天體內部的簡併電子氣體的壓力無法抗拒其自身的引力，該天體因此將進一步收縮。茲維基(Fritz Zwicky)和朗道進一步指出，在這種情況下，其內部的自由電子被擠入質子形成中子，該緻密天體將進一步收縮成為一顆中子星，依靠中子氣體的簡併壓力和天體的引力達到平衡。

1939 年，奧本海默(Oppenheimer)和他的同事發表的兩篇開創性論文奠定了黑洞的存在和形成機制的物理基礎。奧本海默和Volkoff 的工作指出[3]，中子星有質量上限。超出這個上限，該緻密天體將在引力作用下塌縮。奧本海默和斯奈德(Snyder)[4]隨後指出，該引力塌縮將無限地繼續下去，最終必須形成黑洞。

但是愛因斯坦則認為應該存在我們尚未發現的自然規律阻止最後形成黑洞，避免他擔心的發散災難的發生！今天我們認為黑洞的確是存在的，那麼是愛因斯坦錯了而奧本海默對了嗎？在回答這個問題之前，我們首先看看天文觀測如何尋找黑洞以及有沒有找到黑洞。

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黑洞的觀測證據

在20 世紀60 年代，Zel dovich 開始考慮如何尋找黑洞的問題。根據定義，黑洞是看不見的，因此他的想法是，通過測量雙星系統中可見恆星的發射線的周期性多普勒變化，來測量一個雙星系統中看不見的天體的質量。如果其質量比中子星的質量上限還大，那麼這個看不見的天體就很可能是黑洞。同時，他還考慮了緻密天體吸積星際介質的問題，得出了在緻密天體附近產生X射線的結論。Zel dovich 和Novikov[5，6]結合上面這兩種想法，建議X射線雙星是尋找黑洞的最佳候選系統。於是很快有人就於1972 年發現了第一個黑洞的證據[7]，也就是X 射線雙星天鵝座(Cygnus)X-1 中的「看不見」的天體質量遠大於中子星質量上限。由於Cygnus X-1 的很多觀測特徵都明顯有別於其他已知天體，尤其是和也產生強烈X射線輻射的中子星雙星明顯不同，此後就把具有Cygnus X-1 的有些觀測特徵但是沒有任何中子星的觀測特徵的X射線雙星系統作為恆星級黑洞雙星候選體。恆星級黑洞雙星候選體並不一定就是恆星級黑洞雙星，因此還必須對恆星級黑洞進行嚴格和可靠的觀測證認。

對於黑洞的外部觀測者來講，黑洞的本質特徵是其引力質量都在其視界內，而黑洞視界以內的現象是從外部無法觀測到的。因此，學術界和公眾普遍認為，對黑洞存在的終極檢驗就是找到黑洞視界存在的「直接」證據。但是，根據視界的定義，光無法從視界處逃逸到遠處的觀測者，因此遠處的觀測者永遠無法獲得黑洞的視界存在的直接證據。然而，在科學研究中，科學發現並不總是依賴直接證據。例如，我們從來沒有「直接看到」粒子加速器實驗中創造出的很多粒子，通常是通過它們的衰變產物來推斷它們的存在。由於我們無法到達太陽系以外的幾乎任何天體而進行實驗來驗證該天體的性質，所以確認某一個天體屬性的基本途徑就是收集一批「間接」但是「確鑿」的證據。對於證認黑洞，既然放棄了找到黑洞視界存在的「直接」證據的希望，我們也只能這麼做。幾年前我提出了證認恆星級黑洞的五個判據[8]：

(1)該天體表現的觀測特徵和其他已知類型的天體不一致；

(2)從該天體沒有觀測到其他已知類型的天體區別於黑洞的特徵，也就是沒有對基於該天體是恆星級黑洞的模型的反證；

(3)基於該天體是恆星級黑洞的模型能夠解釋已知的觀測現象；

(4)從觀測現象推測的恆星級黑洞的基本參數是自洽和合理的；

(5)沒有替代的理論模型可以比恆星級黑洞模型對相同或者更多的觀測現象解釋得同樣甚至更成功。

只要把上面的「黑洞」或者「恆星級黑洞」換成任何其他類型的天體，上述判據也可以用來判定這些天體的發現。(關於論證物理宇宙中存在天文黑洞的一般性判據，請參考文獻[9])。事實上，很少或者也許沒有哪個天體的發現完全滿足上述嚴格而且廣泛的判據。所以，儘管這五個判據比較原則性而不是定量的，但是滿足實驗物理和觀測天文承認新發現的最高標準。因為發現黑洞的重要性和影響都非同尋常，這些判據也滿足卡爾薩根的原則，即「非凡的主張需要非凡的證據」。

由於我們在X射線雙星中尋找黑洞，所以可以排除雙星系統中兩個天體都是普通恆星的可能性，其中一個天體必然是緻密天體，也就是白矮星、中子星或者黑洞。而白矮星的質量上限低於大約1.4 倍太陽質量，中子星的質量上限低於大約3 倍太陽質量，所以如果該緻密天體的質量超過3 倍太陽質量，那麼就可以認為「該天體表現的觀測特徵和其他已知類型的天體不一致」。這是上述第一個判據的應用。

因為中子星的質量在一個太陽質量的數量級左右，半徑在10 km左右，也就是其「緻密」程度實際上和黑洞差不多，所以和恆星級黑洞的基本性質最接近的就是中子星。如果通過第一個判據的黑洞候選僅僅是一個「大質量的緻密天體」而不是一個「黑洞」，那麼這個天體很可能會產生類似從中子星觀測到的特徵。我們已經知道，由於中子星的緻密性、強磁場和具有固體表面，中子星的快速轉動能夠產生短周期脈衝，而在中子星的表面吸積物質的積累能夠產生X 射線爆發，所以如果沒有觀測到這些特徵，就可以認為該天體通過了上述第二個判據。

滿足前兩個判據之後，實際上我們已經排除了該天體是任何已知類型的天體的可能性，而且也排除了該天體是新類型的、類似中子星的「大質量緻密天體」。由於在所有其他可能性中，黑洞有確定的理論預言，而且是宇宙中最簡單的天體(只有質量和自轉)，所以初步認定該天體是黑洞是非常合理的。在這種情況下我們就把該天體稱為黑洞候選體。(事實上，如果最後判定該天體不是黑洞，而是另外一種新型天體，意味著我們對於物理規律和自然現象的認識又大大加深了一步，其科學意義更加重大。) 而後幾個判據的應用都需要研究當物質或者光線非常接近甚至落入黑洞時會發生什麼。在黑洞附近，有幾個重要的效應能夠提供黑洞存在的間接證據：

(1)存在黑洞的最內穩定圓軌道，越過此軌道該物質將自由落入黑洞。如圖2 所示，這個軌道半徑是黑洞自轉角動量的單調函數。在某些情況下可以使用這個廣義相對論效應測量黑洞的自轉，例如，通過擬合黑洞周圍吸積盤內區產生的譜線的相對論展寬或者吸積盤輻射的連續譜[10，11]；

圖2 黑洞的最內穩定圓軌道半徑(RISCO)是其自轉參數(a*)的單調函數。a*

(2)黑洞的視界或者擊中黑洞的視界的物質不產生遠處的觀測者可以觀測到的任何輻射，這是黑洞的視界的體現；

(3)黑洞周圍極深的引力勢使物質向黑洞吸積，在這個過程中物質的部分靜止質量——能量被轉換成為輻射。吸積黑洞可以通過這個效應被探測到。在圖3 中，我們畫出不同種類的黑洞吸積系統的轉換效率，並與其他天體物理系統的轉換效率做比較。黑洞吸積系統的最主要特徵就是其輻射效率能夠覆蓋很多數量級[9]。

圖3 不同內邊緣半徑(以引力半徑為單位)的吸積盤的輻射效率(輻射的能量占其靜止能量的比例)。對角線的粗黑線指的是黑洞吸積系統，其輻射效率能夠覆蓋很多數量級[9]

為了定量計算這些觀測效應並和觀測結果進行比較，最重要的一個輸入參數就是黑洞的質量，當然在上面應用第一個判據時我們就已經利用了該天體的質量，或者至少需要知道其質量的下限。黑洞的自轉對於上述的兩個(第(1)和第(3)效應都是必不可少的。

用目前普遍使用的測量這些雙星中伴星的視線速度隨軌道位相的調製，可以測量這些恆星級黑洞候選體的質量函數，也就是絕對質量下限，然後通過伴星的光譜型可以估算伴星的質量，從而進一步約束它們的質量下限。這樣得到的很多質量下限都顯著大於已知的中子星的質量、甚至理論上允許的中子星的質量上限，從而排除了這些天體是最接近黑洞的中子星的可能性。最後通過測量有些雙星系統中伴星的輻射流強隨軌道位相的變化得到雙星系統的軌道傾角，從而可以得到恆星級黑洞候選體質量的有效估計，發現這些天體的質量基本上都在幾倍到十幾倍的太陽質量之間，和大質量恆星演化到最後能夠通過引力塌縮形成黑洞的質量範圍一致。

利用廣義相對論的黑洞存在最內穩定圓軌道的預言，我們提出了通過測量吸積盤內半徑估算黑洞的自轉的方法[11]，並且得到了廣泛的應用。而在很多恆星級黑洞X射線雙星系統中觀測到的在很大的亮度範圍內穩定的吸積盤內半徑也和廣義相對論的預言一致，表明這種測量黑洞自轉的方法是可靠的，所得到的黑洞的自轉參數和廣義相對論的克爾度規的要求一致，進一步提供了它們是黑洞的支持證據。

由於黑洞只有視界而不能和吸積盤發生作用，但是中子星的表面磁場會和吸積盤發生作用，所以當吸積盤的吸積率下降(也就是氣壓下降)時，中子星的磁壓會迫使其吸積盤半徑迅速增加，而黑洞則不會有這個效應，這和觀測結果是一致的[12]。同時，由於從吸積盤內邊緣的物質掉入黑洞的時候不會產生顯著的輻射，而當掉到有表面的天體(比如中子星)的時候會產生輻射，因此吸積盤內半徑很大(也就是吸積盤的輻射比較弱)的黑洞系統就會比中子星系統暗很多，這也和觀測結果一致[12]。

綜上所述，我們使用基於黑洞的模型能夠成功地解釋所有觀測到的數據，而且能夠說明所有觀測現象和中子星系統的區別，但是沒有發現任何反例。儘管有不同的模型能夠形成既不同於中子星也不同於黑洞的緻密天體，但是沒有比黑洞的模型更加簡單而且能夠解釋所有這些觀測數據的模型，因此根據證認恆星級黑洞的五個判據，我們確信恆星級黑洞X射線雙星系統的緻密天體的確是廣義相對論預言的黑洞。

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物質是如何掉入黑洞的

既然黑洞在宇宙中的確是存在的，而且我們已經確認的恆星級質量的黑洞完全符合奧本海默所預言的恆星演化到最後引力塌縮的過程所形成的天體，那麼是愛因斯坦錯了嗎？其實未必！

實際上，奧本海默和斯奈德的結論是[4]：對於共動觀測者(也就是隨著恆星的塌縮一起做自由落體的觀測者)，塌縮將在有限的時間內結束，物質進入黑洞的視界並且到達中心奇異點。但是所有的天文觀測者都不是共動觀測者，而是外部觀測者。由於外部觀測者的時鐘和共動觀測者的時鐘在塌縮開始之後就不能同步了，我們必須考察根據外部觀測者的時鐘物質能否掉入黑洞以及掉入黑洞最後會發生什麼。

根據同一篇論文中奧本海默和斯奈德的廣義相對論計算結果[4]，在外部觀測者的有限時間內，物質逼近視界但是永遠不能進入，只能形成一個「凍結」星，而不是黑洞。這和所有廣義相對論的專著、教科書和科普書中對檢驗粒子向黑洞的下落的計算(如圖4 所示)以及宇航員到黑洞旅行的照片的描述都是一致的[13]。因此，不但物質在外部觀測者的有限時間內不能到達中心的奇點處(因此就不會產生髮散的物理量，愛因斯坦擔心的問題就不會發生了)，而且甚至都不能進入黑洞的視界。這難道不是很奇怪的事情嗎？

圖4 兩個不同坐標系的觀測者所測量的粒子向黑洞下落的速度隨距離黑洞視界距離的變化

這個問題從1939 年開始就存在了，而且在引力物理界有過長時間的爭論。那麼為什麼最近幾十年似乎很少人提及了呢？原因就是大部分理論家認為，由於愛因斯坦認為所有的坐標系都是等權的(也就是所謂的廣義協變原理，要求在所有坐標系下物理規律都是相同的)，那麼如果能夠找到一個坐標系，在這個坐標系下物質能夠進入黑洞就說明黑洞能夠形成。按照這個說法，在共動坐標系下奧本海默和斯奈德證明了能夠形成史瓦西解對應的黑洞，那麼這樣的黑洞在宇宙中就能夠形成！但是這樣的說法其實有掩耳盜鈴之嫌！

在不同的坐標系下有相同的物理規律並不表明有相同的物理現象！宇航員到黑洞附近轉一圈回來就比等在外面的同事年輕了，這就是兩者經歷了不同的物理現象的體現。同理，自由落體的宇航員能夠在有限的他自己的時間內進入黑洞到達奇點，並不表明外部觀測者能到等到他進去到達奇點。而奧本海默和斯奈德的廣義相對論計算表明，外部觀測者的確不能等到宇航員進去：圖4 清楚地表明，無論外部觀測者等多久，宇航員始終在黑洞視界的外面，因為他的相對速度趨近於零！而這就是黑洞視界的基本性質，儘管在別的坐標系中黑洞視界可能不存在，但是對於外部觀測者來講黑洞視界是真實存在的，無法迴避前面的奇怪結論！

甚至很多理論家說，由於使用外部觀測者坐標系會出現視界(也就是上面的麻煩)，所以這個坐標系有缺陷，我們不能使用這個坐標系研究黑洞。這就更加荒謬了：地球有很多缺陷，我們生活中的很多事情都也或多或少有缺陷，難道我們就不能在地球生活了？理論家研究理論上的黑洞可以使用任何方便的坐標系，但是我們必須使用外部觀測者的坐標系研究真實宇宙中的黑洞！

那麼到底是誰錯了：廣義相對論？愛因斯坦？奧本海默？

2009 年，我當時的學生劉元和我重新思考了這個問題[2]，發現圖4 的計算過程中有一個很小的缺陷：沒有考慮檢驗粒子(比如向黑洞下落物體)的質量對史瓦西度規的影響。以前沒有考慮檢驗粒子的質量的理由是：由於檢驗粒子的質量和黑洞的質量相比可以忽略不計，所以對度規的影響可以忽略不計。但是就是這個微小的影響導致了以前的計算結果的不自洽！

我們發現，在考慮了所有下落物質和黑洞的質量的全局解之後，即使對於外部觀測者，由於物質下落過程中黑洞的視界在膨脹，最終物質會遇到膨脹的視界而被吞噬進去，因此是膨脹的視界吞噬了下落的物質，而不是物質落入了黑洞。因此在外部觀測者有限的時間內，物質能夠進入黑洞，而以前計算的檢驗粒子不能進入黑洞的原因在於忽略了檢驗粒子的質量，因此視界不會膨脹，在外部觀測者的有限時間內永遠不能進入黑洞。我們計算得到的另外一個結論是，在外部觀測者有限的時間內下落物質永遠不會到達中心的奇異點！

由於目前知道的唯一可能形成黑洞的途徑就是物質的引力塌縮，所以宇宙中的黑洞雖然質量都在視界以內，但是在宇宙的有限的壽命內黑洞中心的奇異點處不會有物質存在，當然也就沒有物理量發散的問題，自然消除了愛因斯坦的擔心。物質塌縮形成黑洞的過程如圖5所示。所以最後的答案是：物質塌縮能夠進入黑洞的視界，黑洞能夠形成，但是中心沒有奇異點。因此廣義相對論沒有錯，愛因斯坦沒有必要擔心物理量發散，奧本海默等人的一個小疏忽導致了「凍結星」佯謬！

圖5 根據外部觀測者的時間，物質塌縮進入的示意圖：在有限的時間內物質可以進入黑洞的視界，但是不會到達中心的奇異點，因此在奇異點處沒有物質

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有GW150914 引力波事件來自黑洞併合的獨立證據嗎

LIGO 團隊根據所探測到的GW150914 引力波波形，計算出這個事件來自於兩個質量大約為30 倍太陽質量的緻密天體，而目前已知的緻密天體中只有黑洞能夠有這麼大的質量，因此斷定這兩個緻密天體是恆星級質量的黑洞。但是根據前面的判斷是否黑洞的5 個判據，似乎因此斷定這兩個天體是黑洞並不充分。例如，如果這兩個天體是以前計算得到的「凍結星」，那麼也很可能產生和觀測結果一致的引力波波形。

儘管我們根據廣義相對論的理論計算排除了「凍結星」模型，但是能否從對GW150914 的天文觀測也排除「凍結星」模型？我們最近計算髮現[14]，如果這兩個緻密天體是「凍結星」，那麼「凍結」在黑洞視界的這些物質在併合過程中將能夠通過Blandford & Znajek 機制[15]提取最終形成的自轉黑洞的自轉能在很短的時間內釋放至少1055耳格的能量，這將是一個亮度非常高的伽瑪射線暴(如圖6 所示)，但是並沒有被當時運行的伽瑪射線暴探測器觀測到！ 考慮到宇宙中類似GW150914 的事件會經常發生，即使大部分產生伽瑪射線的相對論噴流可能沒有對著觀測者而不被探測到，但是有些這麼明亮的伽瑪射線暴還是應該經常被伽瑪射線暴探測器探測到。然而目前已經探測到的幾千個伽瑪射線暴中還沒有一例有這麼高的光度，因此可以斷定GW150914 不可能來自「凍結星」，符合我的學生和我在2009 年的那篇論文中的明確預言[2]：兩個黑洞的併合只能產生引力波輻射而不會產生電磁波輻射，因為在外部觀測者的坐標系中，物質不可能在黑洞的視界外面堆積，必須在很短的(外部觀測者的)時間內進入黑洞。

圖6 兩個「凍結星」併合產生伽瑪射線暴的示意圖

事實上，只要這兩個緻密天體不是黑洞，那麼就必然有大量的物質能夠在併合的過程中產生強烈的伽瑪射線暴，只不過產生的能量也許沒有兩個假想的「凍結星」那麼多。未來會有更多的類似GW150914 這樣引力波事件同時被伽瑪射線探測器所監測(比如2016 年下半年中國將要發射的硬X射線調製望遠鏡衛星(圖7)和天宮二號的伽瑪射線暴探測器，以及預計2021 年發射中法合作的伽瑪暴多波段天文衛星，都具有很好的伽瑪射線暴探測能力)，那麼這些探測結果將能夠徹底判定這樣的引力波事件是否來自於兩個黑洞的併合。

圖7 計劃於2016 年11 月發射的我國首個X射線天文衛星的示意圖。該衛星除了能夠觀測黑洞和中子星等緻密天體的X射線輻射之外，也具有探測伽瑪射線暴的能力

順便指出，在報道GW150914 引力波事件的新聞和學術論文中，包括LIGO 團隊在內的幾乎所有學者都表示，兩個黑洞併合應該不會產生強烈的電磁波輻射(包括伽瑪射線暴)。但是他們都是隱含地用了共動坐標系下物質能夠進入黑洞的計算結果，而不是我們在外部觀測者坐標系下的計算結果。因此儘管他們的說法看起來和我們的計算結果一致，但是他們的出發點是錯誤的，因為在共動坐標系下得到的結論不能直接應用到外部觀測者的坐標下。實際上，他們用的共動坐標系下得到的結論如果轉換到觀測者坐標系下就只能得到物質不能進入黑洞視界而只能形成「凍結星」的結論。因此他們的說法儘管是目前學術界的標準說法，但是完全屬於「張冠李戴」。

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引力波探測對理解黑洞的重要性

根據前面的簡要介紹，我們知道即使是在觀測者坐標系中，黑洞的視界外面也不會有物質的累積。因此兩個黑洞組成的天體系統無論在併合之前還是在併合過程中都只會產生引力波，而不會產生強烈到能夠被探測到的電磁波輻射。因此引力波是目前研究雙恆星級質量黑洞的唯一手段，所以LIGO 成為第一個發現雙黑洞系統的天文台當然不是偶然的。只有通過系統的引力波巡天觀測，我們才有可能了解這種雙黑洞系統在宇宙中的分布以及形成和演化機制。

根據我們的計算結果，在外部觀測者的有限時間內，物質進入黑洞之後並不會到達中心的奇異點，因此黑洞內部物質的分布就完全取決於物質掉入這個黑洞的歷史，也就是這個黑洞的演化歷史。當兩個這樣的黑洞離得比較遠時，它們繞轉產生的引力波和它們內部的質量分布無關。但是在併合的最後階段，它們相互的潮汐力就和內部的質量分布有關了，因此就會影響到所產生的引力波波形和偏振。因此，將來更高精度的引力波探測將有可能探測到黑洞內部的物質分布，從而理解它們的形成和演化歷史，而這也是任何其他天文觀測手段都不可能做到的。

前面介紹了目前對恆星級質量黑洞的觀測結果，已知的這些黑洞的質量都在幾倍到十幾倍太陽質量之間，都處於銀河系內以及距離銀河系很近的星系的由一個黑洞和一個恆星組成的X射線雙星系統中。儘管在其他星系的極亮X射線雙星系統中發現了存在質量可能是20—30 倍太陽質量的黑洞[16]，但是由於觀測數據的限制和這些系統的複雜性，尚不能完全排除其他的可能性。因此產生GW150914 引力波事件的兩個大約30 倍太陽質量的黑洞是目前已知的這種黑洞的最可靠樣本，而這種黑洞的形成和演化機制目前並不清楚，說明引力波的確為我們打開了一扇研究黑洞的新窗口。

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總結和展望

LIGO 宣布探測到了兩個黑洞併合產生的引力波GW150914 是人類探索宇宙的第5 個裡程碑。根據作者的美學研究成果，判斷GW150914在審美的兩個要素「沒缺陷」和「不常見」方面表現出色，是「完全沒缺陷極端不常見」的科學突破，因此毫無懸念地當選美猴王，也就是猴年最美的科學成果。然後討論並回答了以下幾個問題：

(1)為什麼愛因斯坦不相信黑洞存在？

答案：以前認為黑洞的中心有奇異性，但是愛因斯坦認為自然界中不應該存在奇異性而導致物理量發散。

(2)怎麼知道這樣的天體是黑洞？

答案：根據我們提出的黑洞存在的5 個判據，目前天文學家觀測到的一批質量在幾倍到十幾倍之間的緻密天體是黑洞。

(3)物質是如何掉到黑洞裡面的？

答案：在外部觀測者的坐標系中物質下落時黑洞的視界膨脹，下落物質和膨脹的視界相遇進入了黑洞。因此所有教科書和科普文章中宇航員被「凍結」在黑洞視界外面的結論都是錯誤的。

(4)如何獲得獨立的證據證明這樣的引力波事件的確來自於黑洞的併合？

答案：我們的理論計算預言黑洞的併合不可能產生引力波之外的電磁波輻射，但是如果兩個緻密天體之一不是黑洞，就必然會產生電磁波輻射。因此未來的電磁波輻射的觀測，尤其是伽瑪射線暴的觀測能夠獲得獨立的證據證明這樣的引力波事件的確來自於黑洞的併合。

(5)探測這樣的引力波事件對於我們理解黑洞有什麼進一步的作用？

答案：有可能探測到我們的理論計算預言的物質在黑洞內部的分布；能夠研究雙恆星級黑洞的宇宙中的分布；提供一個研究黑洞的全新的窗口。

2016 年下半年中國將要發射的硬X射線調製望遠鏡衛星和天宮二號的伽瑪射線暴探測器，2021 年中法合作的伽瑪暴多波段天文衛星將要發射運行，這些儀器都具有很好的伽瑪射線暴探測能力，無論它們能否探測到來自未來LIGO 的引力波事件的伽瑪射線暴，都將對於我們深入理解產生引力波事件的黑洞的性質及其形成和演化帶來新的進步。

參考文獻

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本文選自《物理》2016年第5期

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