引力波天文學:“聽”見不一樣的宇宙
2019年06月13日17:18

  來源:中國科學院國家天文台微信公眾號

  天文學大概是人類最古老的學科了。儘管歷史悠久,但是在很長的一段歲月裡,天文學家都只能靠“看”來瞭解宇宙,看的是遙遠天體發出的光。光是電磁波,其中只有很少一部分能被人看到,這一部分叫做可見光。其餘的光,如無線電、微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等,都超出了人眼可見的範圍,要用特殊的儀器才能探測到。借助這些儀器,今天的天文學家們已經可以在全電磁波對宇宙進行觀察,“看”到我們的祖先看不到的宇宙。(如圖1)

圖1:銀河繫在不同電磁波段照的照片。可見光波段的照片在第八行。(Credit: NASA)
圖1:銀河繫在不同電磁波段照的照片。可見光波段的照片在第八行。(Credit: NASA)

  宇宙中有沒有我們“看”不到的地方呢?公元2015年9月14日將永載史冊,因為這一天,美國的激光干涉引力波天文台(英文簡稱LIGO)搜尋到了一個來自宇宙深處的信號。這個引力波信號不是“看”到的,是“聽”到的。

  引力波是廣義相對論的預言。通俗的來講,引力波就好像時空中的漣漪:時空受擾動後,這種擾動會像波一樣向外傳播,傳播的速度是光速。引力波帶來的效果之一就是使兩點間的距離有規律的振盪。正是通過精確測量地球上兩點間距離的變化,LIGO才探測到了引力波。這是一項艱巨的任務,因為這些引力波造成的擾動幅度大概在10-21這個量級。也就是說,即使有一把1000公里的尺子,引力波通過的時候,尺子長度的變化也僅有一個質子那麼小,更何況LIGO的兩個探測器都只有4公里長。

  探測引力波為什麼要靠“聽”呢?我們的耳朵之所以能聽到聲音,就是因為鼓膜對空氣的振動作出響應。空氣振幅越大,聲音聽起來越響。而我們的眼睛之所以能看見物體,是因為視網膜對光子作出響應。單位時間內撞擊視網膜的光子越多,物體看起來越明亮。因為引力波天文台探測的是引力波的振幅,而不是引力波的流量,所以工作原理更像用耳朵聽聲音。

  什麼樣的天體能被引力波探測器“聽”到呢?正如人耳聽不到特別微弱的聲音一樣,引力波探測器的聽力也是有極限的。只有足夠“響亮”的引力波源,才能被“聽”見。從原理上來說,這些天體基本都要滿足以下四個條件。

  1、質量大。這就是為什麼雖然車禍也產生引力波(振幅大概在10-41左右),但是研究引力波的專家一般不關心它們,除非有卡車直接撞在了引力波天文台的外牆上(這樣的烏龍事件真的發生過)。

  2、尺度小。太陽的質量是2x1027噸,水星是3x1020噸。即便這兩個質量看上去已經很大了,但我們還是很難測量到太陽-水星這個系統輻射的引力波,原因就是水星到太陽的距離有六千萬公里,這個系統的尺度太大了。

  3、形狀不對稱。和太陽比起來,中子星更重,尺寸也小多了。但是單個中子星還是難以產生強的引力波,原因就是中子星太圓。這也是為什麼今天我們還沒有探測到中子星自轉產生的引力波。

  4、距離不太遙遠。關於這一點,大家下次接電話的時候把聽筒拿的離耳朵遠一點就有體會了。

  宇宙中能夠同時滿足上面四個條件的天體並不多。在科學家“提名”的候選天體中,兩個黑洞合併是排名比較靠前的。果然,第一起引力波事件就是雙黑洞合併事件。不過,讓大多數天文學家大跌眼鏡的是,我們第一次“聽”到的黑洞竟然和以前“看”到的完全不一樣。

  在“看”宇宙時代,我們發現了一類比太陽重10倍左右的黑洞,它們都寄居在一種叫做“X射線雙星”的天體中。天文學家推測,這類黑洞應該是大質量恒星死亡後留下來的遺骸。在教科書中,這類黑洞被稱為“恒星級黑洞”。在學術會議上,天文學家經常一本正經的說:“眾所周知,大質量恒星死亡後會形成黑洞,其典型質量是10倍太陽質量。”

  LIGO“聽”到的第一起雙黑洞合併事件就顛覆了天文學家對恒星級黑洞的定義。在這次事件中,一個黑洞比太陽重36倍,另一個比太陽重29倍!這樣重的黑洞,在X射線雙星中前所未見。一時間,整個天文屆為之震動。上面那句“眾所周知”,從此也在學術圈銷聲匿跡了。

  天文學家為什麼相信LIGO探測到了超重的黑洞呢?換句話說,從引力波怎麼就能夠得知黑洞的質量呢?答案就在引力波的頻率上。引力波的頻率直接反映了兩個黑洞相互繞轉的快慢。粗略來說,黑洞越重,合併前兩個黑洞繞轉地就越慢,因此引力波的頻率也越低。反之,黑洞越小,產生的引力波頻率越高。通過頻率的高低,我們可以判斷黑洞的大小,正如通過音調的高低,我們可以辨別小提琴和大提琴的聲音一樣。

  截止到2018年底,LIGO和歐洲的Virgo探測器通過聯合觀測,又搜尋到了9起比較確信的雙黑洞合併事件,外加一起雙中子星合併事件。在這9起雙黑洞合併事件中,7起都含有超重黑洞,有些黑洞在合併後甚至重達80倍太陽質量。(圖2)

圖2: LIGO/Virgo探測到的雙黑洞(藍色)和雙中子星(橙色)。紫色圓點代表X射線雙星中的黑洞,黃色圓點代表已知的中子星。(Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ。/Frank Elavsky)
圖2: LIGO/Virgo探測到的雙黑洞(藍色)和雙中子星(橙色)。紫色圓點代表X射線雙星中的黑洞,黃色圓點代表已知的中子星。(Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ。/Frank Elavsky)

  為什麼這類超重黑洞從沒在X射線雙星中被“看見”過呢?超重的黑洞究竟是怎麼形成的?它們真的是大質量恒星死亡後的產物嗎?我們“聽”到的確實是超重雙黑洞的“原聲”嗎?有沒有可能是“失真”了的聲音呢?還有其他方法能夠證明超重黑洞的存在嗎?關於這些問題,天文學家還沒有明確的答案。

  但有一點是大家的共識,那就是,人類觀察宇宙的“默片”時代已經終結了。我們步入了“有聲電影”時代,下一步自然是要提升視聽感受。在“聽覺”方面,通過降低引力波探測器的噪聲(如LIGO/Virgo的升級計劃,以及未來的Einstein Telescope),我們可以“聽”得更遠。通過建造新的地面引力波探測器(日本的KAGRA,印度計劃中的IndIGO等),我們可以“聽”見“立體聲”,從而辨別引力波天體的方向。通過在太空搭建引力波探測器(如歐美的LISA,日本的DECIGO,中國的“太極”和“天琴”計劃等),我們可以“聽”到更加低沉的“bass”,從而找到宇宙中更遙遠、更重的黑洞。這些工作,都在陸續地展開。

  中國人有句話,叫做“兼聽則明”。這裏調整一下標點,兼“聽”則明,拿來比喻今天的引力波天文學,恰好合適。

  作者簡介

  陳弦,北京大學物理學院天文系助理教授,長期從事和黑洞附近的動力學有關的理論研究,對輻射引力波的天體尤其感興趣。

  輪值主編:李然(國家天文台青年研究員)

  編輯:蔡琳、柒柒

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