引力波的发现（引力波发觉的这五年）

2016年2月11日，美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）发布了本世纪至今人们最主要的科学发现之一：引力波。这个被命名为GW150914的信号，于2015年9月14日由两部LIGO探测仪所记录，始于14亿光年以外的2个约30倍太阳质量的黑洞的强烈撞击和并合。

五年至今，LIGO和欧洲Virgo引力波探测仪相继发现了50例引力波信号。如今，引力波发觉已成常态，探测仪运行期内基本上每周都有新发现，甚至为了区别同一天检测到的多个事件，科学家必须在引力波信号名称的检测时间后加注“时分秒”。

致密双星并合系统的形成

LIGO和Virgo找到的50例信号均来自于两颗致密天体的绕转和并合。这类致密天体，中子星或黑洞，是大质量行星生命最后关头以超新星爆发的悲壮过程产生的。为了产生LIGO-Virgo检测到的致密双星并合系统，通常认为有两种方式。

第一种方法起始于一个包括两颗大质量行星的双星系统，两颗星先后经历超新星爆发而产生两颗致密天体。这类过程的关键是：双体系统必须扛住2次超新星爆发而不至于被拆开，并且形成的两颗致密天体间隔要足够近，这样引力波的辐射才能驱动它们绕转直到最后并合。

第二种方法发生在那些包括大量致密天体的稠密星团中。在这种“拥堵”的环境中，两颗原先不相干的致密天体可能随机地遇到彼此而结为一对。球状星团就是这样一类环境，其中心区域的恒星密度很高，两颗行星之间可能仅仅距离一个太阳系的尺度。当星团中某颗大质量行星率先形成一个黑洞，这个黑洞因为质量大且体型小可能快速沉到星团中央。接下来这个黑洞再经历一系列的二体、三体甚至多体相互影响，最后找到另一半（黑洞或中子星）。

黑洞和中子星的质量与自旋

根据引力波的观测能够推断出黑洞或中子星的质量和自旋。目前LIGO-Virgo检测到的50例信号中，双黑洞并合事件占据绝大部分，也有2例双中子星并合，1例中子星-黑洞并合，另有1例尚不清楚是两个黑洞并合还是中子星-黑洞并合。

在引力波被发现以前，通过X射线双星的观测（如：天鹅座X-1）找到的一些黑洞，其质量大概在5至15倍太阳质量之间。因此，五年前发布的GW150914显示并合的两大黑洞达到30倍太阳质量，让许多科学家大为吃惊。

图1. 已知中子星和恒星级黑洞的质量遍布。蓝色和橙色代表引力波观测，紫色和黄色代表电磁波观测。因为中子星和恒星级黑洞是大质量恒星死亡的产物，本图被戏称为“行星坟场”上的质量遍布

关于恒星级黑洞，存有2个所谓的“质量空隙”。在3至5倍太阳质量之间，电磁波段观测没发现如此小质量黑洞的显著证据，而中子星的质量又广泛认为不超过3倍太阳质量。另一方面，有理论认为，某些超大质量的行星（质量约为130至250倍太阳质量）因为关键内部正负电子对的产生，引起强烈且不稳定热核爆炸。这一过程可以将行星彻底摧毁，不留下任何物品（包含黑洞）。这类“不稳定对超新星”状况造成了质量在50至150倍太阳质量之间的黑洞的缺失。

原则上，分析数十颗LIGO-Virgo黑洞的质量能够较好地定下黑洞的最大和最小质量。可是，有 2个特殊事件让科学家很为难：GW190521和GW190814。

首先，GW190521的两大并合黑洞分别达到了85和66倍太阳质量（位于“不稳定对超新星”质量空隙），并合后形成一个140倍太阳质量的“中等质量”黑洞（质量大于100倍太阳质量而低于星系中心的超大质量黑洞）。倘若GW190521的两大黑洞是所谓的“黑洞二代”（即各自分别由2个更小质量的黑洞并合成的），把它们排除后发现最大黑洞质量约为52倍太阳质量，基本与“不稳定对超新星”理论推测吻合。

图2. LIGO和Virgo检测到的最大质量双黑洞并合事件，GW190521，可能是2个“黑洞二代”之间的并合（图源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt）

其次，GW190814的两大并合星体分别是23倍和2.6倍太阳质量，其中“小个儿”可能是最小质量的黑洞或最大质量的中子星。两种概率都给当前中子星和黑洞的认知增添了挑战。如果它真是一个黑洞的话，那么3至5倍之间的黑洞质量空隙就荡然无存了。假如这是一颗中子星的话，一方面引力波测出的最小黑洞质量在6倍太阳质量上下（跟X射线双星观测吻合），另一方面对中子星物态方程的探索带来了新方向。

运用引力波对致密天体的自旋进行检测，虽然没有质量测量那么精确，还是能够提供一些有趣的信息。简易而言，由独立的大质量双星演变而成的致密双星，两颗星体的自旋跟双星路轨平面垂直（又称“自旋对齐”）；但在稠密星团中经动力学演变形成的致密双星，两颗星体的自旋方向可能是彻底随机的。

分析LIGO-Virgo的双黑洞自旋测量后，可以发现并非所有的黑洞自旋方向都和双星路轨对齐，甚至一些黑洞自旋可能跟路轨方向相反。这表明很可能有一部分双黑洞是动力学演变形成的。

多信使天文学的出现

相较于黑洞并合，双中子星并合和中子星-黑洞并合有个更引人注目的地方：它们可能同时传出引力波、电磁波甚至中微子。2017年8月17日找到的第一例中子星并合，GW170817，满足了科学家对“多信使天文学”的绝大多数期待。

在两个中子星合并后1.7秒，在和引力波根源方向一致的方位发现了一例伽马射线暴。LIGO和Virgo三台引力波探测器的观测将信号源的方向锁定在31平方度的天空范围内，间距地球大概1.3亿光年。引力波和伽马射线的关联检测引起了地球上和太空中绝大多数天文观测设备的兴趣。在中子星并合11小时后，光学望远镜率先在NGC 4993星系方位发现了一个异常的亮光。随后，科学家在紫外、红外、X射线和射电波段都观测到了相应的电磁信号。

图3. 通过引力波和伽马射线对GW170817的天空定位，以及光学对应体的发觉（图源：B. P. Abbott et al 2017, ApJL, 848, L12）

双中子星并合的引力波信号包括中子星潮汛弯曲的信息。遗憾的是，这些数据发生在相对高频，也就是双星绕转接近并合阶段，频率高过几百HZ。在这一频段内，目前的LIGO-Virgo探测器的敏感度已经显著下降。因此，当前的引力波检测难以通过潮汛弯曲来划分中子星和黑洞（注：理论上黑洞没有潮汛弯曲）。从GW170817的引力波观测可以得知两颗并合星体的质量约为1.4倍太阳质量，在典型的中子星质量范围内。当然，由电磁波段观测，有理由相信GW170817便是两颗中子星并合产生的。由此，引力波的分析显示GW170817的两颗中子星半径约为12公里。

GW190425是LIGO和Virgo找到的第二例中子星并合事件。不巧的是，当时仅有一台探测仪捕捉到了这个信号。科学家虽然作出了许多努力，还是没有发觉GW190425的电磁对应体。考虑到间距更远（5亿光年），天空定位精度也更差（八千平方度），这一结果可能并不意外。

可是，GW190425还是得到了极大关注，由于引力波测量出的中子星质量有点出乎意料。GW170817和太阳系内通过脉冲星观测已知的十来对双中子星系统的总质量都低于2.9倍太阳质量，而GW190425的两颗中子星总质量达到3.3倍太阳质量！

引力波宇宙学和检测广义相对论

测量宇宙加速膨胀速度（即哈勃常数）是当前宇宙学的一个基础问题，它要求同时测出星体的距离和红移（也就是星体的退行速度）。与电磁观测依靠“间距台阶”不一样，引力波能够直接测量双星并合事件的间距。GW170817得多信使观测展现了引力波宇宙学的潜力：联合引力波的距离测量和对其寄主星系NGC4993的红移测量限制了哈勃常数。当然，仅靠GW170817一例观测还远不足以处理所谓的“哈勃疑难”——Ia型超新星和宇宙微波背景辐射各自测出不同的哈勃常数。未来随着更多双星并合信号的发觉，引力波的观测有望成为宇宙学的一个重要的单独研究手段。

引力波的发现验证了广义相对论的推测，同时越来越多的引力波观测也在进一步检测广义相对论。比如，广义相对论指出引力波以光速传播。引力波信号GW170817和伽马射线暴GRB 170817A抵达地球的时间相差仅1.7秒，考虑到波源间距地球1.3亿光年，因此引力波的传播速度与光速相差不超过10-16。截至目前，对LIGO-Virgo的一系列引力波事件的分析没发现任何偏移广义相对论的征兆，比如引力子质量为零、引力波只有两种极化方式等等。

展望未来

LIGO和Virgo探测仪预计将于2022年6月之后开始第4次科学运行，届时日本KAGRA探测仪也将正式加入全球观测网络并达到丰厚的敏感度。此外，位于印度的LIGO-India探测仪也将在几年内开始运行。这些探测仪将于2025年前后达到设计敏感度。粗略地估计，2025年前后引力波事件样本将包括500例双黑洞并合、50例双中子星并合和50例中子星-黑洞并合。

2025年至2030年前后，LIGO探测仪将进一步升级，敏感度提升2-4倍。除已知的致密双星并合事件之外，路面引力波探测仪在之后的10年也有可能实现新的突破，发觉全新类型的引力波，包含随机引力波背景、持续引力波、引力波暴，甚至是前所未知的引力波源。

2035年后，路面引力波检测将进入“第三代”探测器的时代。目前已有的计划包括美国的Cosmic Explorer和欧洲“爱因斯坦望眼镜”，这些探测仪将达到超高灵敏，能够探测到宇宙里绝大多数的双黑洞并合事件和大部分双中子星并合事件。

图4. 计划中的第三代地基引力波探测仪概念图。上图为Cosmic Explorer，40公里臂长的L型探测仪（图源：https://cosmicexplorer.org/），下图为爱因斯坦望眼镜，位于地下的10公里臂长的三角型探测仪（图源：ET Design Study team）

在引力波谱的其它频段，国际脉冲星记时阵项目已经积累了十余年的高精度数据，有望在未来几年开启纳HZ引力波的观测窗口，发觉星系中心的超大质量黑洞并合。同时，国内外的空间引力波检测计划也在持续推进，有望在2035年前后开辟毫HZ引力波天文学。此外，基于宇宙微波背景辐射检测的原初引力波检测也已开展多年。因此，或许不久的将来，人们将进入多波段引力波跟多信使天文学的新时代。

1922年，爱丁顿爵士曾戏言“引力波以观念速度传播”。如今，在引力波的历史性发觉发布五年后，我们知道引力波的确以光速传播，同时还让我们以一种全新的方法“倾听”遥远宇宙的奥秘。

作者简介：朱兴江，现为澳大利亚莫纳什大学Research Fellow, 2015年博士毕业于西澳大学物理系。2012年至今为LIGO科学合作组织成员。主要研究兴趣包含：脉冲星、致密双星系统的形成、搜寻超大质量双黑洞和随机引力波背景。