陳厚尊

眾所周知，就在剛剛過(guò)去的2017年10月3日，北京時(shí)間17時(shí)45分， 瑞典皇家科學(xué)院揭曉了2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)呙麊巍Ｈ麃?lái)自美國(guó)的物理學(xué)家——基普·索恩（KipS. Thorne）、巴里·巴里什（BarryC .Barish）和雷納·韋斯（Rainer Weiss）——因“激光干涉引力波天文臺(tái)”項(xiàng)目（LIGO，Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory）和引力波觀(guān)測(cè)分享了900萬(wàn)瑞典克朗的獎(jiǎng)金（約合110萬(wàn)美元）。韋斯將獲得其中一半，索恩和巴里什將共享另一半。

這是引力波天文學(xué)第二次斬獲諾貝爾獎(jiǎng)，前一次是在1993年。那一年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家小約瑟夫·泰勒（JosephH. TaylorJr.）和拉塞爾·赫爾斯（RussellA.Hulse），以表彰他們?cè)诶秒p中子星系統(tǒng)間接測(cè)量引力波輻射功率方面的研究工作。

通俗地講，引力波就是四維時(shí)空（Space-Time）的漣漪，它是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種時(shí)空波動(dòng)。由于相對(duì)論的基本假設(shè)之一就是不承認(rèn)超光速信號(hào)的存在，因此，萬(wàn)有引力的變化也應(yīng)當(dāng)遵循這一限制。舉個(gè)例子，假如在當(dāng)前時(shí)刻，太陽(yáng)的質(zhì)量由于某種原因突然翻了1倍，我們?cè)诘厍蛏喜粫?huì)立刻感受到這個(gè)變化，而是要等500秒以后才會(huì)見(jiàn)效。這期間的萬(wàn)有引力突變信號(hào)就是以引力波的形式在太陽(yáng)與地球之間傳播。實(shí)際上，所有涉及物質(zhì)分布變化的天體事件都會(huì)釋放出引力波，只是功率的大小有別罷了。天體的質(zhì)量越大，天體本身越致密，越有可能釋放大功率的引力波。例如雙黑洞合并、雙中子星合并、黑洞吞并中子星等過(guò)程，都有可能在一瞬間釋放出強(qiáng)勁的引力波。當(dāng)然，還有一個(gè)非常特殊的事件也會(huì)產(chǎn)生引力波，那就是宇宙早期的暴脹過(guò)程（Inflation）。它會(huì)釋放出一種被稱(chēng)為B 模式（B-mode）的獨(dú)特引力波。長(zhǎng)久以來(lái)，天文學(xué)家一直希望能從宇宙微波背景輻射（CMB）的分布中找到原初引力波的蛛絲馬跡，相關(guān)研究工作也曾轟動(dòng)一時(shí)，只是后來(lái)被證實(shí)，當(dāng)時(shí)的研究結(jié)果并不可靠。

相比于電磁波，引力波有許多優(yōu)良的特性。最突出的一點(diǎn)是：引力波具有極強(qiáng)的穿透力，在傳播過(guò)程中的衰減非常緩慢。由于引力波的振幅與傳播距離成反比，且普通物質(zhì)不可能影響到引力波的傳播方向，所能吸收的引力波能量也十分有限，因此，引力波一旦被釋放出來(lái)，就會(huì)在四維時(shí)空中一直傳播下去，直到宇宙熱寂也不會(huì)有明顯的衰變。這使得引力波特別適合用作信號(hào)傳播的載體。在劉慈欣先生的科幻小說(shuō)《三體3·死神永生》中，人類(lèi)的飛船最后就是以引力波為

載體，向外星文明公布了三體星系的坐標(biāo)。這種說(shuō)法是有一定科學(xué)依據(jù)的。不過(guò)話(huà)又說(shuō)回來(lái)，要想用引力波傳遞信息，所需的能量是十分巨大的，至少在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，人類(lèi)社會(huì)都無(wú)法企及。

關(guān)于這次獲獎(jiǎng)的LIGO項(xiàng)目，想必許多讀者也都不陌生。早在2016年2月11日，它便在全球的新聞界面前出過(guò)一次風(fēng)頭。當(dāng)時(shí)，LIGO的科學(xué)協(xié)作組織與Virgo協(xié)作組織（Virgo是室女座引力波干涉儀的簡(jiǎn)稱(chēng)，位于意大利比薩附近）在世界頂級(jí)物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上聯(lián)合發(fā)表了論文：《愛(ài)因斯坦的百年預(yù)言——引力波被探測(cè)到》。在這篇論文中，LIGO公布了該項(xiàng)目于2015年9月14日偵測(cè)到的一組明確的引力波信號(hào)GW150914（其中GW是“引力波”的英文縮寫(xiě)，編號(hào)代表發(fā)現(xiàn)日期），信號(hào)持續(xù)時(shí)間約0.1秒。根據(jù)引力波的振幅信息，天文學(xué)家判定波源的紅移值Z為0.09，相應(yīng)的到地球的距離約為13億光年。該引力波是由兩個(gè)質(zhì)量分別為36倍太陽(yáng)質(zhì)量和29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合放出的，合并后的黑洞質(zhì)量為太陽(yáng)的62倍。依據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)—能轉(zhuǎn)換方程，其間減少的3倍太陽(yáng)質(zhì)量變?yōu)槟芰浚砸Σǖ男问椒懦?。這導(dǎo)致其瞬時(shí)的引力波輻射功率非常驚人，相當(dāng)于可見(jiàn)宇宙（直徑約930億光年）全部電磁輻射在可見(jiàn)光波段總功率的十幾倍，是宇

宙最強(qiáng)伽馬射線(xiàn)暴輻射功率的1萬(wàn)倍！如果將此次LIGO接收到的引力波的能量通量換算為可見(jiàn)光，就相當(dāng)于130個(gè)滿(mǎn)月當(dāng)空照耀的場(chǎng)景！再考慮到光源的距離實(shí)際上處在13億光年之外，就更加令人不可思議。這表明，引力波實(shí)際上可以攜帶很高的能量，只是其對(duì)LIGO干涉儀的形變作用太微弱。這才是引力波難以偵測(cè)的根本原因。

值得一提的是，首次記錄到引力波事件的時(shí)間點(diǎn)恰逢愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論100周年。LIGO團(tuán)隊(duì)以此種形式做紀(jì)念，至少有三大科學(xué)意義：其一是確鑿無(wú)疑地驗(yàn)證了廣義相對(duì)論的最后一項(xiàng)理論預(yù)言;其二是證實(shí)了雙黑洞系統(tǒng)在宇宙中確實(shí)存在，且黑洞并合事件在宇宙的目前階段仍在發(fā)生;其三則是開(kāi)啟了引力波天文學(xué)的新紀(jì)元。

此后，LIGO與Virgo兩個(gè)團(tuán)隊(duì)再接再厲，于2016年6月15日公布了合作發(fā)現(xiàn)的第二例引力波現(xiàn)象GW151226。這同樣是一起由雙黑洞并合事件導(dǎo)致的引力波輻射爆發(fā)，時(shí)間持續(xù)了1秒。參與合并的兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為14.2倍太陽(yáng)質(zhì)量和7.5倍太陽(yáng)質(zhì)量，合并后生成了一個(gè)20.8倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，同時(shí)將1倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，以引力波的形式放出。之后，2017年6月1日，兩個(gè)合作團(tuán)隊(duì)又聯(lián)合公布了第三例引力波現(xiàn)象GW170104，其源頭也是一起雙黑洞并合事件，信號(hào)持續(xù)時(shí)間約0.1秒。參與合并的兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為31.2倍太陽(yáng)質(zhì)量和19.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，合并后生成了一個(gè)48.7倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，同時(shí)將3倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為引力波能量。這一連串的引力波事件說(shuō)明，此前記錄到的引力波爆發(fā)并非個(gè)例，雙黑洞并合事件會(huì)在宇宙深處頻繁發(fā)生。這在某種程度上解答了此前天文學(xué)家的一大困惑，即：星系中心普遍存在的大質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞（一般是幾百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）是怎么來(lái)的。endprint

一個(gè)自然的想法是，它們都是由早期的恒星級(jí)黑洞通過(guò)物質(zhì)吸積的過(guò)程，一步一步成長(zhǎng)起來(lái)的。所謂恒星級(jí)黑洞，指的是演化至末期的大質(zhì)量恒星直接坍縮形成的小型黑洞，其質(zhì)量一般不超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的15倍。但是，這樣的想法存在諸多問(wèn)題，最致命的一點(diǎn)是，黑洞不能以任意快的速率吸積周?chē)奈镔|(zhì)。理論計(jì)算表明，正常物質(zhì)落入黑洞的過(guò)程中，會(huì)將自身靜質(zhì)量能的5.7%至42%以電磁輻射的形式釋放出去，產(chǎn)能效率因黑洞種類(lèi)的不同而不同。與之相比，恒星中心的核聚變的產(chǎn)能效率只有區(qū)區(qū)0.7%而已！如此大規(guī)模的輻射流會(huì)驅(qū)散黑洞周?chē)奈镔|(zhì)，阻止物質(zhì)繼續(xù)下落。據(jù)此給出的吸積速率上限就是愛(ài)丁頓極限（EddingtonLimit），最早由英國(guó)天體物理學(xué)家愛(ài)丁頓爵士（SirArthurStanley Eddington）計(jì)算給出。假設(shè)黑洞吸積的物質(zhì)主要為等離子態(tài)的氫，那么，以愛(ài)丁頓速率吸積的黑洞差不多要1億年才能增長(zhǎng)1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。而宇宙的年齡只有138億年， 因此，宇宙中最重的黑洞也不應(yīng)超過(guò)150倍太陽(yáng)質(zhì)量。不過(guò)，現(xiàn)實(shí)中的黑洞周?chē)鄶?shù)伴有吸積盤(pán)，這是因?yàn)槲镔|(zhì)相對(duì)于黑洞總是有角動(dòng)量的。物質(zhì)在最終落入事件視界以前，需要以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式損失掉自身的角動(dòng)量（謝天謝地，地球相對(duì)于太陽(yáng)的角動(dòng)量使得我們不必身墜火海）。黑洞吸積盤(pán)的內(nèi)緣終止于史瓦西半徑的3倍處， 這是物質(zhì)環(huán)繞黑洞運(yùn)動(dòng)的最小穩(wěn)定軌道半徑，小于此半徑處的吸積物質(zhì)會(huì)很快落入黑洞并消失，因此該處以?xún)?nèi)的物質(zhì)密度急劇減小。理論分析表明，黑洞吸積過(guò)程中的大部分產(chǎn)能會(huì)從吸積盤(pán)的兩極輻射出去，從而打破愛(ài)丁頓極限，實(shí)現(xiàn)超愛(ài)丁頓吸積（Super-Eddington accretion）。天文學(xué)家相信，宇宙早期普遍存在的類(lèi)星體、各類(lèi)活動(dòng)星系核等天體，都是星系中心的超大質(zhì)量黑洞曾在過(guò)去進(jìn)行超愛(ài)丁頓吸積的證據(jù)。

即便如此，單靠吸積周?chē)镔|(zhì)的質(zhì)量增長(zhǎng)模式還是不太給力。要想讓恒星級(jí)黑洞合理地成長(zhǎng)為百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大黑洞，還需要其他一些機(jī)制，而雙黑洞合并便是其中的候選者之一。LIGO 的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑提高了此類(lèi)機(jī)制的可信度，尤其是在星系形成的早期，星系間的并合事件必然比今天要頻繁得多。寄居于碰撞星系中心的大質(zhì)量黑洞很可能因動(dòng)力學(xué)摩擦、臨近恒星的引力助推等效

應(yīng)逐漸相互靠近，最后撞在一起。事實(shí)上，天文學(xué)家也的確在銀河系的一些近鄰星系的中心發(fā)現(xiàn)了雙黑洞存在的跡象。

那么，宇宙早期的恒星級(jí)黑洞又是怎么來(lái)的呢？天文學(xué)家普遍相信，宇宙的第一批恒星誕生于黑暗時(shí)代（DarkAges）末期，即紅移值Z在20至30的時(shí)候。天文學(xué)家稱(chēng)之為星族Ⅲ天體（Population Ⅲ）。到目前為止，哈勃等空間望遠(yuǎn)鏡的觀(guān)測(cè)并未給出星族Ⅲ存在的直接證據(jù)。不過(guò)，物質(zhì)在黑暗時(shí)代的末期曾經(jīng)歷過(guò)一輪大規(guī)模的再電離過(guò)程（Reionization），這很可能

與星族Ⅲ天體的出現(xiàn)有關(guān)。對(duì)星族Ⅲ的恒星而言，其化學(xué)組分直接源于大爆炸早期的輕元素核合成。根據(jù)喬治·伽莫夫George Gamow）等人的理論，從大爆炸的余燼中沉淀出來(lái)的質(zhì)子和中子的數(shù)目之間有一個(gè)固定的比例，由此可以算得宇宙原初的氫、氦原子的豐度比為3∶1，即氫原子的原初豐度約為3/4，氦原子的原初豐度約為1/4，其他金屬元素的豐度皆為小量。這一結(jié)果與天文觀(guān)測(cè)相符。因此，星族Ⅲ的恒星幾乎完全由氫和氦兩種元素構(gòu)成，外加微量的鋰-7和鈹-7。根據(jù)20世紀(jì)建立起來(lái)的恒星演化理論，極貧金屬的恒星可以有比太陽(yáng)大得多的質(zhì)量和光度。讀者可以試著想象一個(gè)幾十倍甚至上百倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星巨人遍布全宇宙的壯麗場(chǎng)景。我們的太陽(yáng)與之相比，猶如地球與太陽(yáng)相比一般。這些巨人恒星的自身引力非常強(qiáng)，溫度非常高，以至于其主要的

輻射能量落在X 波段甚至伽馬波段。此類(lèi)恒星可以在極短時(shí)間內(nèi)演化至超新星階段，結(jié)束自己短暫的一生。甚至也可以不經(jīng)過(guò)核聚變，直接在萬(wàn)有引力的作用下坍縮成一顆具有上千倍太陽(yáng)質(zhì)量的中型黑洞。

此外，天文觀(guān)測(cè)還表明，絕大部分星系和類(lèi)星體都形成于紅移值Z 在1至6的時(shí)期，而紅移值Z在6至10之間的天體數(shù)目非常稀少。迄今，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所能觀(guān)察到的最遙遠(yuǎn)的天體，是一顆位于大熊座的、紅移值高達(dá)11.09的星系。這其中有一個(gè)三四億年的空窗期。也許，天文學(xué)家期待的超大質(zhì)量黑洞誕生的秘密就藏在這段時(shí)間之內(nèi)。

另一個(gè)值得注意的進(jìn)展是，就在LIGO項(xiàng)目獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的前6天，LIGO與Virgo兩個(gè)團(tuán)隊(duì)又公布了第四例，也是目前公布的最后一例引力波事件：GW170814。參與其中的雙黑洞分別為30.5倍太陽(yáng)質(zhì)量和25.3倍太陽(yáng)質(zhì)量，合并后生成了一顆53.2倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，并將2.7倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為引力波能量釋放出去。這次的引力波事件與前三次的不同之處在于，遠(yuǎn)在意大利比薩的Virgo干涉儀同時(shí)偵測(cè)到了這起引力波事件。這是LIGO和Virgo的第一次聯(lián)合觀(guān)測(cè)。引力波聯(lián)合觀(guān)測(cè)的意義在于能更精準(zhǔn)地定位引力波源的位置。受限于LIGO干涉儀的原理和結(jié)構(gòu)，它僅能將引力波源在天球上的位置限定在一段狹長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，包含的面積接近1000平方度，其中僅亮星系就數(shù)以百計(jì)，暗星系更多，因此很難確認(rèn)引力波源的精確位置。而在地球上相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)引力波干涉儀的聯(lián)合觀(guān)測(cè)卻能極大地提高波源的認(rèn)證精度。這主要是因?yàn)長(zhǎng)IGO和Virgo關(guān)于同一個(gè)源的靈敏區(qū)域不同，兩者在天球上的交疊部分就應(yīng)當(dāng)是引力波源的位置所在。根據(jù)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)公布的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家已經(jīng)能將波源的位置限定在60平方度以?xún)?nèi)。2017年8月，Twitter上曾有傳言稱(chēng)，LIGO團(tuán)隊(duì)最近偵測(cè)到了與短伽馬射線(xiàn)暴SGRB170817A爆發(fā)時(shí)間相關(guān)聯(lián)的引力波事件GW170817，暴源在長(zhǎng)蛇座的橢圓星系NGC4993內(nèi)，很可能是一起天文學(xué)家期待已久的雙中子星并合事件?？墒遣痪弥?，這篇推文就被發(fā)布者刪除了。后來(lái)，LIGO團(tuán)隊(duì)出面辟謠，說(shuō)相關(guān)的數(shù)據(jù)仍在分析之中，在分析結(jié)果出來(lái)以前下任何結(jié)論都不可靠。這雖然是一則傳言，不過(guò)至少說(shuō)明，LIGO與Virgo的聯(lián)合觀(guān)測(cè)已經(jīng)有能力定位到引力波事件在光學(xué)波段的對(duì)應(yīng)體。鑒于引力波具有極強(qiáng)的穿透力，一旦此類(lèi)事件發(fā)生，將有可能為天文學(xué)家?guī)?lái)關(guān)于中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的豐富信息。這必然是過(guò)去局限于鉆研天體電磁信號(hào)的天文學(xué)家不敢想象的偉大成果！endprint