引力波與黑洞那些不得不說的事情

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引力波與黑洞物理的研究

當曾經遙不可及的白日夢近得觸手可及的時候，你會發出怎樣的感慨呢？

6月1日凌晨，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉儀引力波天文台）又一次正式宣布探測到了引力波信號。與前兩次大張旗鼓的新聞發布會相比，這次的發布會直接簡化為電話會議。這或許是個好兆頭，因為這意味著探測到的引力波信號將越來越多，越來越家常便飯。而與前兩次的引力波相似，這次的引力波信號也是來自於黑洞的合并。

最新宣布的「GW170104」信號，是在1月4日觀測得到的。這兩個黑洞中，較大的一個質量在太陽質量的25到40倍之間；而較小的則在13到25倍太陽質量之間。在發表在PRL上的論文里，LIGO研究團隊聲稱，此次產生的黑洞質量約為50倍太陽質量，而另一部分質量被引力輻射帶走。這次合并大約發生在30億光年之外。

引力波與理論預言曲線的對比。

此次發現的重要意義為：恆星質量級別的黑洞可能比許多天文學家所預期的要大得多。在此之前，科學家們通過X射線雙星系統來估計黑洞的質量，其結果估計不超過20倍的太陽質量。但是，這幾次引力波的探測結果讓我們相信，超過20倍太陽質量的黑洞的存在並非無稽之談。

接下來我們將陸續推送一系列文章介紹黑洞、引力波等有趣的概念。本文的下面一部分將介紹引力波在黑洞物理研究中的應用，並且介紹了兩種在實驗室模擬黑洞的方法。

引力波產生源m1和m2（m1≥m2）事後的概率密度。

一維分類包含了事後的兩種波形模式，以及它們的平均結果（黑）。這張二維圖表顯示了標註在顏色編碼之後密度函數上的50%到90%可信區域的輪廓。

為了方便新讀者理解文章，我們先簡單介紹一下引力波的概念。引力波並非一個新的名詞，它是廣義相對論的一個推論。可以把時空想像成一個橡膠膜，而黑洞等天體就是其上的小球。黑洞這種密度非常大的「球」，會使得其周圍的時空發生嚴重的彎曲。而如果有兩個星體發生碰撞現象，那麼此時時空就會發生劇烈的形變，就好比是時空的漣漪。

而與電磁波所不同的是，引力波是時空本身的一種攪動。因此，引力波所攜帶的信息與電磁波並非完全相同。引力波可以最直觀地告訴我們該天體的運動狀態與其整體信息，例如中子星的坍縮、黑洞的合并與旋轉等。

若想理解引力波需要三步，第一步寫出愛因斯坦場方程；第二步在平直時空加個微擾，並做線性化；第三步解方程，讀出引力傳播速率為光速。這一過程需要廣義相對論基礎知識，因此接下來的文章里我們盡量避免公式的出現。

20赫茲的引力波的示意圖

引力波的信號可能是有節奏的或者不規則的，抑或是穩定的。因此，如果能將引力波信號翻譯成天圖，我們或許就能描述整個宇宙中許多未知的事情。

雙黑洞系統的合并是最有可能產生引力波的天文現象之一。兩個黑洞因為輻射引力而消耗能量，最終無可避免地融為一體，隨著彼此逐漸靠近，其繞行速度也逐漸變快，留給我們花瓣般美麗的引力波信號。一般而言，黑洞的質量可以從其耦合時間的長短來測定，黑洞質量越大，其相互之間吸引力就越強，合并的也越快。

黑洞的引力波信號示圖

研究黑洞目的，除了探索這種最神秘的天體之外，它們也是檢驗我們所建立的引力理論的最完美的天然實驗室。到目前為止，所有被探測到的引力波事件都是對愛因斯坦的廣義相對論又一有利佐證。而目前關於廣義相對論的檢驗都是基於史瓦西解的，史瓦西解恰好對應著最常見的黑洞。

黑洞是廣義相對論預言的天體。美國物理學家惠勒曾用「無毛定理」來描述處於平衡態的孤立黑洞——只需質量、角動量和電荷三個參數即可描述。在真實的宇宙中幾乎無法找到孤立的黑洞，因此很難只依靠這三個參數來描述真實的黑洞，這樣，研究黑洞的微擾理論就顯得尤為關鍵。黑洞對外界干擾的響應可分為三個階段：初始階段、擬正則模階段和晚期拖尾階段。其中，擬正則模是黑洞受到外界擾動之後出現的一類不斷振蕩衰減的特徵信號，由黑洞本身的特徵，而非微擾的方式所決定，因此可用來鑒別黑洞，被稱作黑洞的指紋。而這方面的研究顯然並非易事，因此，引力波探測將在這一領域起到極大的作用。另外，如何在實驗室模擬黑洞成了新的研究課題。

伴隨有超快風的黑洞

實驗室模擬黑洞的重要意義在於研究黑洞的穩定性與微擾理論，這是近些年的研究熱點之一。擬正則模堪稱黑洞的「指紋」，是確定黑洞特徵參數的重要研究對象。黑洞的擬正則模的研究歷史可追溯到上世紀70年代。印度科學家韋沙瓦在研究史瓦西黑洞的引力散射的時候，首次引入了這一概念。不久，普萊斯第一次提出了擬正則模這一名詞。擬正則模中包含微擾衰減的信息，這樣就可計算微擾態退還回衰減態的時間。近些年來，隨著威騰等人對AdS-CFT理論的研究逐漸深入，黑洞的擬正則模研究再次引起了科學家們的重視。目前，黑洞的指紋檔案已經被建立。隨著引力波探測技術的逐漸發展，黑洞的擬正則模的觀測與研究將更進一步！

黑洞出現在天空中

黑洞可以看做是時空中的「瀑布」，因此可在實驗室中建立「啞洞」來模擬黑洞。假設有一片足夠大的平坦水池，其深度足夠淺。如果在某處開一個排水孔，那麼距離排水孔越近的水的流速就越快。如果在距離排水孔r處，水速恰好為聲速，那麼這個距離就類似黑洞物理中的引力半徑，而這個排水孔也就可看做一個聲學黑洞，即啞洞。如果能夠限定物體運動速度都不超過聲速，那麼就可在實驗室中模擬出黑洞。而這樣的聲學黑洞也會在受到微擾時候產生與上文所述類似的擬正則模，但是與遙遠的黑洞相比，實驗室中的聲學黑洞更易觀測並收集數據。但是顯然聲學黑洞和真實的黑洞並不完全一樣，因為超音速會使得介質產生非線性運動，這在真空下是不可能的。

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萊斯納-諾斯特隆黑洞的瀑布模型

另一方面，台灣大學陳丕燊教授、巴黎綜合理工大學的傑拉德·穆如教授等人利用納米技術和激光技術，設計了一個模擬黑洞的方法。其方法是，設計一個密度遞增的薄膜作為靶子，將能量較高的激光打入其中，會產生等離子體反射鏡。隨著薄膜密度逐漸增加，等離子體就會產生像黑洞一樣的運動。當激光擊穿薄膜後，等離子體反射鏡也會停止，這就類似黑洞的蒸發。即第一種氣態均勻的等離子體靶用於製備高強度X射線脈衝。由於第二等離子體靶中的等離子體密度梯度增加，X射線脈衝將產生加速的等離子體鏡。當鏡子突然停止時，它將釋放能量脈衝或零點真空漲落。

台灣大學陳丕燊教授所提出的模擬黑洞實驗示意圖。

加速相對論性等離子體反射鏡的世界線及其與視界周圍的真空漲落的關係。

隨著引力波的成功探測，引力波天文學的黎明即將到來。憑藉這個利器，我們能夠「聽」到之前所看不到的天文現象。這相當於我們探測宇宙從過去的「默片時代」進入了「有聲電影時代」。筆者在此大膽猜測，下一個十年將是黑洞物理研究的白金年代。

目前，除了美國的LIGO之外，日本的KAGRA、澳大利亞的PPTA、歐洲的VIRGO以及我國的SKT和FAST等望遠鏡都已經整裝待發，想必引力波天文學在不久的將來會對天體物理和引力理論的研究帶來顯著的影響，例如研究宇宙中小黑洞或者中子星合并的頻率、驗證描述雙星系統的形成天體物理模型，乃至驗證無毛定理等。另一方面，觀測來自黑洞的引力波也會告訴我們關於引力的本質。而射電天文望遠鏡的聯合觀測即EHT也將在不久的將來為引力理論研究者們帶來無上歡愉！

另外，前文提到的實驗室中模擬黑洞的方法也將對黑洞的研究做出巨大的貢獻，因為這意味著對黑洞的研究不只是停留於理論層次。

在天文學家和物理學家的共同努力之下，想必黑色新娘的神秘面紗將逐漸被掀開。黑洞的引力是否真的像廣義相對論所預言的那樣，由霍金輻射引發的黑洞戰爭究竟勝負幾何？霍金-安魯效應能否被探測到？白洞是否存在？蟲洞如何產生？人類或許只是剛剛開始解答這些問題。