關(guān)于雙黑洞和引力波，LIGO科學(xué)家回答了這7個(gè)你可能會(huì )關(guān)心的問(wèn)題

引力波的成功探測，就像雙黑洞的碰撞一樣，一石激起千層浪。

關(guān)于雙黑洞和引力波，LIGO科學(xué)家回答了這7個(gè)你可能會(huì )關(guān)心的問(wèn)題

最近，引力波的成功探測，就像雙黑洞的碰撞一樣，一石激起千層浪。

大家興奮之余，肯定還聽(tīng)到一些質(zhì)疑和懷疑的聲音。其中有理論物理學(xué)博士鮑德海先生發(fā)的帖子，提出了一系列的問(wèn)題。鮑博士提出的疑問(wèn)，想必是很多讀者都會(huì )有的。

這里我做一些答復。由于時(shí)間倉促，對每一項都是開(kāi)了個(gè)頭沒(méi)有很詳細的回答，就算是拋磚引玉吧。

問(wèn)題1：按您的說(shuō)法，那兩個(gè)黑洞沒(méi)有其他觀(guān)測證據支持？

我覺(jué)得這么說(shuō)是不全面的。雙黑洞，是天文學(xué)家搜尋已久的天體，讓大家望眼欲穿！

黑洞已經(jīng)是現代天體物理中“習以為常”的物體。

通過(guò)大量的恒星演化的模型和觀(guān)測數據的研究，天體物理學(xué)家基本上已經(jīng)達成共識：大質(zhì)量的恒星在核反應結束后，會(huì )塌縮成黑洞；比較大質(zhì)量的恒星，會(huì )塌縮成中子星；而小質(zhì)量的恒星會(huì )演化到白矮星，但是并不會(huì )產(chǎn)生塌縮的過(guò)程。這里，中子星是一個(gè)泛指。物理學(xué)家不是完全清楚核物質(zhì)在這么高的壓強下到底會(huì )以什么形式存在。有些物理學(xué)家認為應該是“夸克星”等等。也有人對黑洞的存在有一些質(zhì)疑。但是，公認的是，大質(zhì)量的恒星會(huì )演化成非常致密的一個(gè)星體。那么下面我們就討論中子星和黑洞這兩種星體。

中子星（或者夸克星）的觀(guān)測證據主要來(lái)源于脈沖星：這些星體會(huì )以特別穩定的頻率發(fā)出電磁脈沖。天體物理學(xué)家認為，這些脈沖是由于強磁場(chǎng)把中子星周?chē)牡入x子體中的電荷加速而導致的。

中子星可以以單個(gè)中子星和雙中子星存在。雙中子星在70年代被發(fā)現，并且已經(jīng)成為精確檢驗相對論的重要依據。雙中子星的軌道頻率可以受引力輻射的影響，見(jiàn)引力波文章的［20，21，22］。這個(gè)發(fā)現被授予1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。天體物理學(xué)家通過(guò)雙中子星在附近宇宙中的分布，可以大概推算出LIGO觀(guān)測范圍中雙中子星并合引力波信號的發(fā)生幾率。目前的Advanced LIGO的靈敏度正處在可能發(fā)現雙中子星的邊緣。

恒星質(zhì)量的黑洞，也就是大質(zhì)量恒星演化行程的黑洞，也是有觀(guān)測證據的。這來(lái)源于X-射線(xiàn)雙星的研究。X-射線(xiàn)雙星中，從伴星飛往主星的氣體在途中互相擠壓、摩擦，放出大量的熱，導致了X-射線(xiàn)的輻射。從雙星發(fā)出的X-射線(xiàn)的性質(zhì)，可以用來(lái)大概推斷它的組成。在一些這樣的雙星中，天文學(xué)家判斷， 應該有一個(gè)很致密、質(zhì)量很大的星體，很有可能是黑洞。當然，這樣對黑洞的觀(guān)測不太直接，沒(méi)法很清晰的判斷黑洞附近的時(shí)空幾何結構。

所以，雙中子星、以及發(fā)射引力波的雙中子星都是存在的。雙星中的黑洞，也是基本上認為是存在的。那么，如果我們拍一下腦袋，是不是可以認為，發(fā)射引力波的雙黑洞也應該是存在的呢？

天體物理學(xué)家認為雙黑洞是應該存在的 ，并且有間接觀(guān)測證據，和建模的支持。

二十年來(lái)，拍腦袋之余，天體物理學(xué)家根據對雙星演化的數學(xué)建模，他們發(fā)現了一些高質(zhì)量雙星可以最終變成雙黑洞的“演化路徑”。但是由于數學(xué)模型中有很多不確定的參數，他們由此估計出來(lái)的單位時(shí)間、單位體積中的雙黑洞并合率，是非常粗略的。

由于事件發(fā)生的概率大體和觀(guān)測的體積成正比（大概適用于幾十億光年以?xún)鹊氖录?，LIGO的靈敏度越高，能夠探測的距離就越遠，于是能夠探測到雙黑洞的成功率就越高！這次雙黑洞的事件的發(fā)生，以及第一代LIGO沒(méi)有探測到引力波這個(gè)事實(shí)，都是在預期的粗略估計的范圍之內的，見(jiàn)［111-114］。

2010年，天文學(xué)家發(fā)現了一對質(zhì)量超大的雙星 。這個(gè)雙星被認為可以是雙黑洞的“前世”。也就是說(shuō)，這么大的一對恒星，它們燒盡燃料以后，有可能會(huì )形成雙黑洞的系統。這是雙黑洞存在的一個(gè)挺重要的間接證據。

問(wèn)題2：雙黑洞沒(méi)人見(jiàn)過(guò)？

這就說(shuō)明，引力波是雙黑洞并合唯一的有效觀(guān)測方式。理論上說(shuō)，雙黑洞的碰撞可能完全沒(méi)有別的觀(guān)測方式。

當然，后續也有科學(xué)家討論，是不是雙黑洞的并合在一定情況下也伴有電磁波的發(fā)射呢？比如，如果黑洞附近有磁場(chǎng)、氣體，其實(shí)雙黑洞的并合時(shí)可以引發(fā)伽馬射線(xiàn)爆的！再比如，如果黑洞本身其實(shí)不是黑洞，而是和黑洞時(shí)空結構很類(lèi)似的由某種新奇物質(zhì)構成的星體，那么也可能讓引力波在誤差范圍內符合相對論的推斷，但是允許伽馬射線(xiàn)的發(fā)生！

在引力波公布不久，就有一片文章，號稱(chēng)在GW150914附近發(fā)現了伽馬射線(xiàn)的信號。當然，人們對這個(gè)伽馬射線(xiàn)的發(fā)現還有一些懷疑。這就讓人們發(fā)生了無(wú)窮的聯(lián)想??！

問(wèn)題3：如果實(shí)驗能重復，那么就可以信了吧？

對，關(guān)鍵就在重復性。天體物理觀(guān)測是需要有強有力的統計根據的。 前面我們說(shuō)道，物理學(xué)家的模型是，單位體積單位時(shí)間，雙黑洞有一個(gè)發(fā)生率。從數學(xué)上說(shuō)，是一個(gè)“泊松過(guò)程”。在一定的觀(guān)測能力和時(shí)間下，產(chǎn)生一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)。。。事件的概率，都是有聯(lián)系的。

在我們公布的LIGO數據中，除了GW150914這個(gè)很強的事件以外，還有有一個(gè)另外的信噪比（統計置信度）相對比較低的疑似事件。對它的統計分析現還在進(jìn)一步的進(jìn)行中。但是初步看來(lái)，一個(gè)高置信度的事件，加上一個(gè)低置信度的事件，這樣的分布是符合上面的統計模型的。

第一次觀(guān)測（2015年9月到2016年1月）的數據還沒(méi)有完全分析完成，里面也可能有其他的雙黑洞事件。

那么，根據后續的數據，怎么可以判斷這次的雙黑洞真假呢？還是用統計的方法。

第一，如果后面在同樣的靈敏度觀(guān)測，而觀(guān)測不到雙黑洞，那么看不到的時(shí)間越長(cháng)，這次的雙黑洞是烏龍的概率就越高了。事實(shí)上，通過(guò)這次的GW150914，和下一次測量的時(shí)間長(cháng)度，就可以具體的估計出下次探測中探測到雙黑洞的概率。

第二，如果看到呢？那我們還需要考慮后續信號的強度分布（比如強弱信號的分布應該大體對應在附近宇宙中的一個(gè)均勻的分布）、跟相對論信號的吻合度等等因素。在伽馬射線(xiàn)爆發(fā)現的早期，人們也迷惑過(guò)，不知道為什么有這樣強的信號。但是后來(lái)根據信號的分布，就判斷出它是銀河系外的波源。引力波天文學(xué)，也會(huì )依著(zhù)類(lèi)似的發(fā)展。

所以，這是一個(gè)長(cháng)期系統的過(guò)程，是引力波天文學(xué)的一個(gè)重要目的！除了對這次的檢驗進(jìn)行討論之外，我們還可以拭目以待！

問(wèn)題4：難道不是準備好多個(gè)探測器一起干嗎？

事實(shí)上，在GW150914中，LIGO的兩個(gè)探測器都分別觀(guān)測到了置信度很高的波形。 

這是一個(gè)科學(xué)實(shí)驗中常見(jiàn)的問(wèn)題：當你看到一個(gè)所謂的”事件“，怎么知道它不是一個(gè)巧合呢？

答案就是，你沒(méi)法嚴格證明他不是巧合。就好比，你在想領(lǐng)取你太爺爺遺留的存款的時(shí)候，沒(méi)法向銀行證明他沒(méi)有小三和私生子一樣。

但是，在科學(xué)實(shí)驗中，往往可以估計出一個(gè)信號屬于巧合的幾率是多大。在LIGO中，采取了一個(gè)“時(shí)間平移”的方法［見(jiàn)引力波文章圖4］。在分析數據的時(shí)候，我們采集兩個(gè)探測器在不同時(shí)段的數據，看看這兩段本不應同時(shí)有引力波的數據，同時(shí)產(chǎn)生這類(lèi)似這兩個(gè)波形出現的概率。得到的概率是10^-7以下。

問(wèn)題5：本次項目，是否考慮了暗物質(zhì)和暗能量？

當然！我們當然考慮了引力波在標準宇宙學(xué)模型下，在宇宙空間中的傳播問(wèn)題 。根據標準模型，我們這個(gè)波長(cháng)的引力波（1萬(wàn)公里以下）受密度不均勻導致的影響在我們現在這個(gè)誤差范圍內完全可以忽略不計。如果探討一下，那么第一大的影響就是宇宙的密度不均勻性，會(huì )造成引力波傳播的“光線(xiàn)”并不是直線(xiàn)，從而導致引力波絕對振幅的一個(gè)修正。這就是所謂的弱引力透鏡效果。我們今天對引力波振幅的估算誤差，遠遠大于弱透鏡導致的效果。 

問(wèn)題6：黑洞是不是不止一對？

當然，上面提到了單位時(shí)間單位體積的黑洞并合率，就說(shuō)明兩對黑洞同時(shí)并合的概率是不為零的。但是，根據目前的靈敏度，在我們現在可以清晰觀(guān)測的距離內，兩個(gè)足夠強的事件同時(shí)發(fā)生的概率是很小的。

這就有另外一個(gè)問(wèn)題，如果考慮到特別遠處的黑洞，那邊有很多很多??？雖然他們的信號到達地球的時(shí)候已經(jīng)很弱了，但是會(huì )不會(huì )弱弱的加在一起就會(huì )足夠強的“背景”呢？

事實(shí)上，把這個(gè)論斷用在發(fā)光的星體上，就是宇宙學(xué)中注明的“奧伯斯陽(yáng)謬”。也就是說(shuō)，宇宙中越遠的星星，雖然越暗，但是越多，結果根據均勻宇宙計算出的星星總光強，也就是“背景”，是無(wú)窮大。

這個(gè)陽(yáng)謬可以用宇宙膨脹來(lái)解釋。同樣，雙黑洞的引力波背景也可以這樣解釋。早在十幾年前，就有科學(xué)家對這個(gè)問(wèn)題做過(guò)討論，并論證了雙黑洞引力波背景的大小跟單位體積內的并合率的關(guān)系。結論就是，引力波源和星星一樣。最強的源可以被單一的看到，但是也會(huì )有一個(gè)由眾多遠處的源導致的背景。我們的文章中也提到了這個(gè)問(wèn)題，見(jiàn)［115］。

問(wèn)題7：提出問(wèn)題未嘗不可，但是現在懷疑其真實(shí)性為時(shí)尚早，證據不足。

我認為迷信權威是錯誤的，懷疑是科學(xué)進(jìn)步的源泉。鮑博士提出這些疑問(wèn)，是對引力波物理學(xué)家的關(guān)心和愛(ài)護。期待更多的讀者對引力波的發(fā)現提出質(zhì)疑！也歡迎大家閱讀我們PRL之外的另外11篇文章，那里面詳細的講解了這次引力波探測相關(guān)的各個(gè)方面。

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