引力波的发现（引力波发现的这五年）

　　引力波的发现（引力波发现的这五年）
　　2016年2月11日，美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）公布了本世纪以来人类最重要的科学发现之一：引力波。这个被命名为GW150914的信号，于2015年9月14日由两台LIGO探测器所纪录，起源于14亿光年之外的两个约30倍太阳质量的黑洞的剧烈碰撞和并合。
　　五年以来，LIGO和欧洲的Virgo引力波探测器陆续发现了50例引力波信号。如今，引力波发现已成常态化，探测器运行期间基本上每周都有新发现，甚至为了区分同一天探测到的多个事件，天文学家必须在引力波信号名称的探测日期后加注＂时分秒＂。
　　致密双星并合系统的形成
　　LIGO和Virgo发现的50例信号均来自于两颗致密天体的绕转和并合。这种致密天体，中子星或黑洞，是大质量恒星生命最后关头以超新星爆发的壮烈过程生成的。为了形成LIGO-Virgo探测到的致密双星并合系统，通常认为有两种方式。
　　第一种方式起始于一个包含两颗大质量恒星的双星系统，两颗星先后经历超新星爆发而产生两颗致密天体。这种过程的关键是：双体系统必须扛住两次超新星爆发而不至于被拆散，而且形成的两颗致密天体间距要足够近，这样引力波的辐射才能驱动它们绕转直至最终并合。
　　第二种方式发生于那些包含大量致密天体的稠密星团中。在这种＂拥挤＂的环境下，两颗原来不相干的致密天体可能随机地遇上彼此而结成一对。球状星团就是这样一类环境，其中心区域的恒星密度很高，两颗恒星之间可能仅仅相距一个太阳系的尺度。当星团中某颗大质量恒星率先形成一个黑洞，这个黑洞由于质量大而体积小可能迅速沉入星团中央。接下来这个黑洞再经历一系列的二体、三体甚至多体相互作用，最终找到另一半（黑洞或中子星）。
　　黑洞和中子星的质量与自旋
　　根据引力波的观测可以推断出黑洞或中子星的质量和自旋。目前LIGO-Virgo探测到的50例信号中，双黑洞并合事件占据绝大多数，还有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。
　　在引力波被发现之前，通过X射线双星的观测（如：天鹅座X-1）发现的一些黑洞，其质量大约在5至15倍太阳质量之间。因此，五年前公布的GW150914显示并合的两个黑洞达到了30倍太阳质量，让很多天文学家大为吃惊。
　　图1. 已知中子星和恒星级黑洞的质量分布。蓝色和橙色代表引力波观测，紫色和黄色代表电磁波观测。由于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＂恒星坟场＂上的质量分布
　　关于恒星级黑洞，存在两个所谓的＂质量间隙＂。在3至5倍太阳质量之间，电磁波段的观测没有发现如此小质量黑洞的明显证据，而中子星的质量又普遍认为不超过3倍太阳质量。另一方面，有理论认为，某些超大质量的恒星（质量约为130至250倍太阳质量）由于核心内部正负电子对的产生，引发剧烈且不稳定的热核爆炸。这一过程可以将恒星完全毁灭，不留下任何东西（包括黑洞）。这种＂不稳定对超新星＂现象导致了质量在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黑洞的质量可以较好地定出黑洞的最大和最小质量。但是，有 2个特殊事件让天文学家很为难：GW190521和GW190814。
　　首先，GW190521的两个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＂质量间隙），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倍太阳质量而小于星系中心的超大质量黑洞）。假如GW190521的两个黑洞是所谓的＂黑洞二代＂（即各自分别由两个更小质量的黑洞并合而成），将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＂理论预言吻合。
　　图2. LIGO和Virgo探测到的最大质量双黑洞并合事件，GW190521，有可能是两个＂黑洞二代＂之间的并合（图源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt）
　　其次，GW190814的两个并合天体分别为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。两种可能性都给当前中子星和黑洞的认识带来了挑战。如果它真是一个黑洞的话，那么3至5倍之间的黑洞质量间隙就不复存在了。如果它是一颗中子星的话，一方面引力波测出的最小黑洞质量在6倍太阳质量左右（跟X射线双星观测吻合），另一方面对中子星物态方程的研究提供了新方向。
　　利用引力波对致密天体的自旋进行测量，虽然没有质量测量那么精准，还是可以提供一些有趣的信息。简单而言，由孤立的大质量双星演化而成的致密双星，两颗天体的自旋跟双星轨道平面垂直（又称＂自旋对齐＂）；而在稠密星团中经动力学演化形成的致密双星，两颗天体的自旋方向可能是完全随机的。
　　分析LIGO-Virgo的双黑洞自旋测量后，可以发现并不是所有的黑洞自旋方向都跟双星轨道对齐，甚至有的黑洞自旋可能跟轨道方向相反。这说明很可能有一部分双黑洞是动力学演化形成的。
　　多信使天文学的诞生
　　相比于黑洞并合，双中子星并合和中子星-黑洞并合有个更引人注目的地方：它们可能同时发出引力波、电磁波甚至中微子。2017年8月17日发现的第一例中子星并合，GW170817，满足了天文学家对＂多信使天文学＂的几乎所有期待。
　　在两个中子星合并后1.7秒，在与引力波源头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，距离地球大约1.3亿光年。引力波和伽马射线的关联探测引起了地球上和太空中几乎所有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星系方向发现了一个异常的亮光。随后，天文学家在紫外、红外、X射线和射电波段都观测到了相应的电磁信号。这是GW150914之后的又一例划时代的发现，从发现公布之日至今，平均每天有超过3篇论文在研究它！
　　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现（图源：B. P. Abbott et al 2017, ApJL, 848, L12）
　　双中子星并合的引力波信号包含中子星潮汐形变的信息。遗憾的是，这些信息发生在相对高频，也就是双星绕转接近并合阶段，频率高于几百赫兹。在这一频段内，目前的LIGO-Virgo探测器的灵敏度已经显著下降。因此，当前的引力波探测难以通过潮汐形变来区分中子星和黑洞（注：理论上黑洞没有潮汐形变）。从GW170817的引力波观测可以得知两颗并合天体的质量约为1.4倍太阳质量，在典型的中子星质量范围内。当然，由电磁波段的观测，有理由相信GW170817就是两颗中子星并合产生的。据此，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发现的第二例中子星并合事件。不巧的是，当时仅有一台探测器捕捉到了这个信号。天文学家尽管做出了不少努力，还是没有发现GW190425的电磁对应体。考虑到距离更远（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。
　　但是，GW190425还是受到了极大关注，因为引力波测量出的中子星质量有点出人意料。GW170817和银河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了3.3倍太阳质量！
　　引力波宇宙学和检验广义相对论
　　测量宇宙加速膨胀的速度（即哈勃常数）是当前宇宙学的一个基本问题，它要求同时测出天体的距离和红移（也就是天体的退行速度）。与电磁观测依赖＂距离阶梯＂不一样，引力波可以直接测量双星并合事件的距离。GW170817的多信使观测展示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，仅仅依靠GW170817一例观测还远不足以解决所谓的＂哈勃疑难＂——Ia型超新星和宇宙微波背景辐射分别测出不同的哈勃常数。未来随着更多双星并合信号的发现，引力波的观测有望成为宇宙学的一个重要的独立研究手段。
　　引力波的发现验证了广义相对论的预言，同时越来越多的引力波观测也在进一步检验广义相对论。例如，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到达地球的时间相差仅1.7秒，考虑到波源距离地球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有发现任何偏离广义相对论的迹象，例如引力子质量为零、引力波只有两种极化模式等等。
　　展望未来
　　LIGO和Virgo探测器预计将于2022年6月以后开始第4次科学运行，届时日本的KAGRA探测器也将正式加入全球观测网络并达到可观的灵敏度。此外，位于印度的LIGO-India探测器也将在几年内开始运行。这些探测器将在2025年前后达到设计灵敏度。粗略地估计，2025年前后的引力波事件样本将包含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探测器将进一步升级，灵敏度提高2-4倍。除已知的致密双星并合事件以外，地面引力波探测器在接下来的10年也有可能实现新的突破，发现全新类型的引力波，包括随机引力波背景、连续引力波、引力波暴，甚至是前所未知的引力波源。
　　2035年后，地面引力波探测将进入＂第三代＂探测器的时代。目前已有的计划包括美国的Cosmic Explorer和欧洲的＂爱因斯坦望远镜＂，这些探测器将达到超高灵敏度，可以探测到宇宙中几乎所有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器概念图。上图为Cosmic Explorer，40公里臂长的L型探测器（图源：https://cosmicexplorer.org/），下图为爱因斯坦望远镜，位于地下的10公里臂长的三角型探测器（图源：ET Design Study team）
　　在引力波谱的其它频段，国际脉冲星计时阵项目已经积累了十余年的高精度数据，有望在未来几年打开纳赫兹引力波的观测窗口，发现星系中心的超大质量黑洞并合。同时，国内外的空间引力波探测计划也在逐步推进，有望在2035年前后开创毫赫兹引力波天文学。另外，基于宇宙微波背景辐射测量的原初引力波探测也已进行多年。因此，也许在不久的将来，人类将进入多波段引力波和多信使天文学的新时代。
　　1922年，爱丁顿爵士曾戏言＂引力波以思想的速度传播＂。如今，在引力波的历史性发现公布五年后，我们知道引力波确实以光速传播，同时还让我们以一种全新的方式＂聆听＂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。主要研究兴趣包括：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。