黑洞碰撞重塑物理學

這次事件在宇宙尺度上是災難性的——黑洞合併劇烈震動了周圍的時空結構，並以光速向宇宙傳送了被稱為引力波的時空振動衝擊波。但這正是地球上的物理學家們一直等待的災難。2015年9月14日，當這些漣漪掃過新升級的雷射干涉引力波天文臺（高階LIGO）時，它們在位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個L形探測器的讀數中顯示為尖峰。科學家們有史以來第一次記錄到了引力波訊號。

“它就在那裡！”芝加哥大學的天體物理學家、LIGO團隊成員丹尼爾·霍爾茨說。“而且它非常強烈，非常漂亮，在兩個探測器中都是如此。”霍爾茨說，雖然訊號的形狀從理論上看起來很熟悉，“但在資料中看到它時，感覺完全不同。這是一個超凡的時刻。”

該訊號，根據其發生日期正式命名為GW150914，非正式地被其發現者稱為“事件”，被公正地譽為物理學上的一個里程碑。它為阿爾伯特·愛因斯坦一個世紀前提出的廣義相對論提供了豐富的證據，該理論認為質量和能量可以扭曲時空，而引力正是這種扭曲的結果。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的相對論計算機模擬專家斯圖爾特·夏皮羅稱其為“廣義相對論自誕生以來最重大的證實”。

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但“事件”也標誌著引力波天文學長期承諾的時代的開始。對訊號的詳細分析已經揭示了合併黑洞的性質以及它們是如何形成的。自從那時以來，LIGO及其歐洲的對應機構——義大利比薩附近的法意合作高階室女座天文臺，已經收集了四十多個類似的事件——研究人員將能夠像對恆星進行分類和理解其起源一樣，對黑洞進行分類和理解其起源。

隨著新近建成的日本神岡引力波探測器（KAGRA）加入搜尋行列，未來幾年將會出現更多事件。（三個合作專案將彙集他們的資料並共同發表論文。）擁有更多的探測器不僅將為事件提供關鍵的細節，而且還可以幫助天文學家比以往更準確地進行宇宙距離測量。

“未來幾年將會非常精彩，”德國漢諾威馬克斯·普朗克引力物理研究所所長布魯斯·艾倫說。

“他們看到的黑洞碰撞越多，就會越有趣，”理論物理學家和數學家、牛津大學榮譽教授羅傑·彭羅斯說，他在1960年代在黑洞方面的開創性工作為他贏得了2020年諾貝爾獎。“突然之間，我們有了一種觀察宇宙的新方式。”

能量問題

物理學家們幾十年來都知道，每一對軌道執行的天體都是引力波的來源。根據愛因斯坦的方程，每次公轉，引力波都會帶走它們軌道能量的一小部分。這將導致物體更靠近彼此，並以更快的速度繞軌道執行。對於熟悉的星體對，如月球和地球，即使在數十億年的時間尺度上，這種能量損失也是微不足道的。

但是，軌道非常接近的緻密物體可能會更快地失去能量。1974年，當時在馬薩諸塞大學阿默斯特分校的射電天文學家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發現了這樣一個系統：一對圍繞彼此軌道執行的緻密中子星。隨著時間的推移，科學家們發現，這個“雙脈衝星”正在失去能量並螺旋向內，正如愛因斯坦理論預測的那樣。

LIGO探測到的兩個黑洞可能已經以這種方式損失能量數百萬年，甚至數十億年，然後才到達終點。但是，LIGO直到2015年9月14日協調世界時9:50:45才記錄到來自它們的引力波，當時引力波的頻率升至每秒30個週期（赫茲）以上——相當於每秒15個完整的黑洞軌道——並且最終高到探測器可以將其與背景噪聲區分開來。

但是，在短短0.2秒內，LIGO觀察到訊號激增至250赫茲，然後突然消失，因為黑洞完成了最後五個軌道，達到了光速一半的軌道速度，併合併成一個巨大的物體[見下方框]。

LIGO和Virgo團隊很快開始工作，儘可能地提取每一位元資訊。在最基本的層面上，該訊號為他們提供了一個存在性證明：物體在合併之前如此接近彼此的事實意味著它們一定是黑洞，因為普通恆星需要大得多。“我認為，這是黑洞真正存在的清晰跡象，”彭羅斯說。

該訊號還為研究人員提供了廣義相對論的首次實證檢驗，超越了包括雙脈衝星周圍空間在內的時空扭曲相對較小的區域。夏皮羅說，沒有經驗證據表明該理論在合併黑洞的極端能量下仍然有效——但事實證明它確實有效。

該訊號也包含著大量更詳細的資訊。透過仔細檢查最終災難發生前的訊號形狀，科學家們發現它與一個頻率和幅度穩步增加的簡單正弦波非常接近。賓夕法尼亞州立大學理論物理學家、LIGO高階研究員B. S. 薩蒂亞普拉卡什表示，這種模式表明黑洞的軌道幾乎是圓形的，並且LIGO可能以鳥瞰視角觀察到這些圓圈，幾乎是正對著它們而不是側對著它們。

此外，LIGO和Virgo團隊能夠利用觀測到的波的頻率及其加速度來估計兩個黑洞的質量：因為較重的物體以比輕物體更快的速度以引力波的形式輻射能量，所以它們的音調上升得更快。

透過計算機模擬重現“事件”，科學家們計算出兩個黑洞的質量分別約為太陽質量的36倍和29倍，合併後的黑洞質量約為62個太陽質量。失去的質量差，約為三個太陽質量，以引力輻射的形式分散了——其中大部分發生在物理學家稱之為鈴震階段，即合併後的黑洞正在穩定成球形的時候。（相比之下，有史以來威力最大的熱核炸彈僅將約兩公斤物質轉化為能量——大約少10³⁰倍。）研究小組還懷疑，最終的黑洞可能以每秒100轉的速度旋轉，儘管該估計的誤差範圍很大。

推斷出的兩個黑洞的質量也具有啟發意義。每個物體很可能都是一顆非常巨大的恆星的殘餘物，較大的恆星接近太陽質量的100倍，較小的恆星略小一些。眾所周知，熱核反應將這些恆星核心中的氫轉化為氦的速度比輕恆星快得多，這導致它們在誕生後僅數百萬年就在自身重量下坍塌。這種坍塌釋放的能量會引發II型超新星爆炸，留下殘餘核心，變成中子星，或者如果質量足夠大，則變成黑洞。

科學家們說，II型超新星不應該產生比大約30個太陽質量大得多的黑洞——而這兩個黑洞都處於該範圍的上限。這可能意味著該系統是由星際氣體雲形成的，這些氣體雲比我們星系中通常發現的氣體雲富含氫和氦，而重元素（天文學家稱之為金屬）含量較低。

奈梅亨拉德堡大學的天文學家、高階室女座合作組織成員吉斯·內勒曼斯解釋說，天體物理學家計算出，由這種低金屬丰度雲形成的恆星在爆炸時應該更容易形成巨大的黑洞。這是因為在超新星爆發期間，較小的原子不太可能被爆炸吹走。因此，低金屬丰度恆星“損失的質量較少，因此對於相同的初始質量，更多的質量進入黑洞，”內勒曼斯說。

成雙成對

但是，這兩個黑洞是如何最終形成雙星系統的呢？在與報告2015年發現的論文同時發表的一篇論文中，LIGO和Virgo團隊描述了兩種普遍接受的場景。

最簡單的一種是，兩顆大質量恆星誕生於雙星系統，像雙黃蛋一樣由同一個星際氣體雲形成，並且從那時起就一直在相互繞軌道執行。（這種雙星在我們的星系中很常見；像太陽這樣的單星是例外而不是規則。）幾百萬年後，其中一顆恆星會燃盡併發生超新星爆發，緊隨其後的是另一顆。結果將是一個雙黑洞。

第二種場景是，恆星獨立形成，但仍然在同一個稠密的恆星團中——可能類似於圍繞銀河系執行的球狀星團。在這樣的星團中，大質量恆星會向中心下沉，並透過與較輕恆星的複雜相互作用，形成雙星系統，可能在它們轉變為黑洞之後很久才形成。

荷蘭萊頓大學的天體物理學家西蒙·波特吉斯·茲瓦特的模擬顯示，大質量恆星更有可能在稠密的星團中形成，在那裡碰撞和合並更為常見。他還發現，一旦雙黑洞系統形成，星團中心複雜的動力學可能會以高速將這對星體踢出。高階LIGO探測到的雙星可能已經遠離任何星系數十億年，然後才合併，他說。

儘管LIGO和Virgo團隊能夠從“事件”中學到很多東西，但即使在黑洞合併的情況下，引力波也可以教給他們更多東西。探測器顯示，在黑洞合併後，當生成的黑洞穩定成對稱形狀時，引力波迅速衰減。這與已故理論物理學家C. V. 維什韋什瓦拉在1970年代早期的預測相符，當時“引力波和黑洞都屬於神話領域，”維什韋什瓦拉在2016年說。“那時，我沒有想到它會被驗證。”

但是，LIGO僅在訊號再次淹沒在背景噪聲中之前，看到了“事件”鈴震波的略多於一個週期——還不足以提供對維什韋什瓦拉預測的嚴格檢驗的資料。

如果LIGO探測到比本次事件更大的黑洞合併，或者發生在比“事件”估計距離13億光年更近的地球附近，從而產生更“響亮”且在噪聲之上停留更長時間的引力波，則可以進行更嚴格的測試。

LIGO理論家、德國波茨坦-戈爾姆馬克斯·普朗克引力物理研究所所長亞歷山德拉·布奧納諾說，鈴震階段的更詳細影像可以揭示最終黑洞的旋轉速度，以及其形成是否賦予了它一個賦予高速度的“出生踢”。

此外，薩蒂亞普拉卡什說，“我們尤其期待質量更輕、持續時間更長的系統。”此類事件包括較輕的雙黑洞、雙中子星或黑洞與中子星的合併。每種型別都會發出自己獨特的啁啾聲，並可能產生在LIGO靈敏度閾值之上停留幾分鐘或更長時間的訊號。

“在某種意義上，GW150914是一個非常普通的系統，”賓夕法尼亞州立大學的LIGO成員查德·漢納說。“它當然很美，但它並沒有人們可能期望的所有瘋狂的事情。”

太空藝術

薩蒂亞普拉卡什渴望觀察到的一種現象是黑洞軌道平面的“進動”，這意味著它們的路徑描繪出一種三維玫瑰花結。這是一種相對論效應，在牛頓引力中沒有對應物，它應該在引力波的強度中產生特徵性波動。但是，只有當兩個黑洞的自轉軸指向隨機方向時才會發生軌道進動，當軸都垂直於軌道平面時，進動就會消失。進動的發生為黑洞是如何形成的提供了線索。

很難確定這種可能性，因為超新星模擬存在許多不確定性。但是，天體物理學家懷疑，平行自轉通常表明最初的兩顆恆星是同時從同一個旋轉氣體雲中誕生的。同樣，他們認為，隨機自轉是由於黑洞分別形成，然後才圍繞彼此軌道執行而產生的。一旦天文臺發現更多合併事件，他們或許能夠確定哪種型別的系統更頻繁發生。

儘管探測到更多事件將有助於LIGO進行大量的科學研究，但其干涉儀具有內在的侷限性，因此有必要與類似的全球探測器網絡合作。

首先，LIGO的兩個干涉儀不足以讓科學家精確確定引力波的來源。研究人員可以透過比較訊號到達每個探測器的時間來獲得一些資訊：時間差使他們能夠計算出引力波相對於兩個探測器之間假想線的方向。但在“事件”案例中，記錄到的時間差為6.9毫秒，他們的計算僅將可能性範圍限制在南部天空的廣闊條帶上。

在Virgo於2017年8月上線後，科學家們能夠透過比較引力波到達三個地點的時間，大幅縮小方向範圍。隨著最近日本KAGRA的加入，他們的精度將進一步提高。印度也在規劃自己的LIGO。

瞭解事件的方向也有助於消除確定其與地球距離的最大不確定性之一。義大利比薩高等師範學院物理學家、Virgo前發言人富爾維奧·裡奇解釋說，從完全垂直於探測器的方向（無論是從上方還是從下方穿過地球）接近的引力波以其實際振幅記錄下來。然而，從天空其他地方傳來的引力波會以一定角度擊中探測器，並根據已知公式產生稍小的訊號。甚至存在一些盲點，在這些盲點中，給定的探測器根本看不到來源。

確定方向可以揭示引力波的精確振幅。透過將該數值與引力波源的振幅進行比較（研究人員能夠從訊號的形狀推匯出），並瞭解振幅如何隨距離減小（他們從愛因斯坦的理論中獲得），他們就可以更精確地計算出引力波源的距離。

這種情況幾乎是前所未有的：傳統上，天文距離需要透過觀察已知物體在從太陽系到遙遠星系的各個位置的亮度來估計。但是，這些“標準燭光”的測量亮度可能會被中間的物質減弱。引力波沒有這種限制。

拉響警報

科學家們渴望精確估計引力波來源的另一個重要原因是。LIGO和Virgo團隊已安排向傳統天文學家發出有關有趣事件的近即時警報，傳統天文學家可以使用他們的光學、射電和空間望遠鏡來檢視這些事件是否產生了任何形式的電磁輻射。作為回報，LIGO和Virgo合作專案將篩選資料，以搜尋可能由傳統天文臺觀測到的事件（如超新星爆發）產生的引力波。

大約20個團隊試圖跟進“事件”，但大多徒勞無功。美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡確實在大約0.4秒後看到了可能的伽馬射線爆發，來自南部天空同樣模糊但相容的區域。但大多數觀察家現在認為這是一種巧合。西北大學的LIGO天體物理學家維姬·卡洛格拉說，原則上，當繞雙黑洞執行的氣體在合併過程中被加熱時，可能會產生這種伽馬射線。但是“我們的天體物理學預期一直是，形成雙黑洞的恆星中的氣體早已消散。周圍不應該有任何顯著的氣體，”她說。

然而，在2017年8月，當LIGO和Virgo發現引力波訊號後，70多個天文學家團隊能夠定位並觀察到來自兩顆中子星合併的焰火，引力波與傳統天文學之間的協同作用以壯觀的方式展現出來。

將引力波與電磁波匹配開啟了天文學的新時代。特別是，2017年的事件證實，中子星合併預計會產生短伽馬射線暴。然後，研究人員能夠測量來自這些爆發的光向光譜紅色端的偏移程度，這告訴天文學家恆星的宿主星系由於宇宙膨脹而退行速度有多快。

將這些紅移與從引力波計算出的距離測量值進行匹配，還可以估算出當前的宇宙膨脹率，即哈勃常數，這與使用當前方法進行的計算無關，並且可能比當前方法更精確。“從測量哈勃常數的角度來看，那是我們鍍金的來源，”霍爾茨說。“老實說，”他說，“我真的很難相信宇宙真的在做這些事情。但這並非科幻小說。它真的發生了。”