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黑洞是宇宙中最迷人的天體之一，但同時也是最難以捉摸的，它們異常致密，以至于光都無法逃脫。為了進一步研究黑洞背后的秘密，科學家們轉(zhuǎn)向了一個新興的領域：引力波天文學。
引力波是超大質(zhì)量天體造成時空的扭曲或者“漣漪”。在 2015 年，天文學家第一次用激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到引力波。這次引力波是由一組雙黑洞系統(tǒng)(兩個互相環(huán)繞的黑洞)劇烈地相撞形成的。
Credit：MIT News
激光干涉引力波天文臺，每一個都帶有兩個 4 千米長的臂并組成L型，它們分別位于相距 3000 千米的美國南海岸 Livingston 和美國西北海岸 Hanford。每個臂由直徑為 1.2 米的真空鋼管組成。
范德堡大學天體物理學家、該項目的主編卡蘭·賈尼(Karan Jani)向媒體介紹：“剛加入 LIGO 時，我就意識到之前用廣義相對論模擬黑洞模型的經(jīng)驗可以應用到中等質(zhì)量黑洞的搜尋當中。”
中等質(zhì)量黑洞介于超大質(zhì)量黑洞(超過太陽的一百萬倍)和恒星級黑洞(質(zhì)量相對較小，太陽質(zhì)量的5-50 倍)之間。“中等質(zhì)量黑洞對于開創(chuàng)引力波天文學的十年有著特殊的含義。從我們已知的天體中， 它們所釋放的引力波最容易被 LIGO 和 LISA (激光干涉空間天線)探測到。通過這兩種方法，我們能夠監(jiān)視宇宙中近乎所有的中型雙黑洞系統(tǒng)。”
中等質(zhì)量黑洞是宇宙中最難判斷的天體之一。Credit：中國數(shù)字科技館
但是，天文學家們還未能直接探測這些中型黑洞。他的方法是通過黑洞所釋放出的引力波中不同的振動頻率來研究它們的活動。正如交響樂團演奏時的聲波擁有不同頻率，黑洞所釋放出的引力波也存在不同的頻率，有些頻率的帶寬極大，有些卻相對較小。在引力波研究的下一個階段，我們的目標將是捕捉不同頻率的信號來聽一首來自黑洞的“完整樂曲”。
中型黑洞也被認為是超巨型黑洞的種子。舉個例子，黑洞通?？客淌善渌诙磥?ldquo;成長“。在黑洞周圍會形成一圈被捕捉的物質(zhì)，也就是吸積盤，強大的引力會吸引住周圍的氣體、恒星、甚至是另一個黑洞。任何物質(zhì)在太過靠近時會掉入事件視界，就此永久留在黑洞里而無法逃逸。每當中型黑洞將另一個黑洞困在自己旁邊時，其引力場就會出現(xiàn)擾動，LIGO 因而能夠通過這一擾動來判斷發(fā)生的事件。
雙黑洞系統(tǒng)引力波示意圖。
由歐空局和美國宇航局合作的 LISA 預計將于 2034 年發(fā)射，將會是第一個搜尋引力波的太空探測器。LISA 的任務是探測并對低頻率的引力波進行精確測量。這種程度的測量是地球上所不能進行的。在地球上，即使是一輛路過的車輛所引起的震動都會影響探測器的準確性。通過 LISA，我們可以在中型黑洞撞擊的幾年前就開始監(jiān)視，這種引力波是直接由事件視界外時空扭曲造成的。與無線電波或X射線不同的是：引力波所傳遞的信息在穿行數(shù)光年的途中不會丟失一分一毫。
因此，在結(jié)合了 LIGO 觀測的高頻段引力波以及后續(xù) LISA 測量的低頻段引力波信息，科學家們有希望填充當前對黑洞認知的空白。
引力波的提出可以追溯到牛頓時期。在提出萬有引力后，人們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理所形容的引力似乎是一種超距作用，然而超距作用并不能說服科學家們，因而拉普拉斯率先提出，引力是通過引力場傳播的。
時間來到十九世紀，大名鼎鼎的麥克斯韋方程組問世，預測了電磁波的存在還證實了電磁波是有速度的(光速)，因此電磁力并非是超距作用。那么，正如電磁力是由電磁場傳播的，而電磁場(電荷)的震蕩會形成電磁波，引力也是由引力場傳播的，那么物質(zhì)的振蕩是否也會產(chǎn)生相應的“引力波”。至此，引力波的概念正式形成。
此后，經(jīng)典物理幾乎再也沒有用武之地，因為牛頓時代的質(zhì)量和能量并不能劃等號，能量守恒和質(zhì)量守恒是兩個分開的定律。人們可以理解電磁波的原因是因為電本身就是能量，能量的振蕩產(chǎn)生攜帶能量的電磁波，邏輯上來講沒什么問題。但是突然說物質(zhì)的振蕩也能產(chǎn)生攜帶能量引力波，這就很難想象。
1905 年，愛因斯坦提出狹義相對論，提出質(zhì)能等價，再次為引力波的存在提供了可能。十年過去后，愛因斯坦再次提出了一個可以共同描述物質(zhì)和質(zhì)量的場方程，這就是廣義相對論。從此以后，理論上的引力波徹底定義完成，但是在實驗上真正探測到引力波卻得等到 100 年后的 2015 年，在數(shù)代人的努力之后，LIGO 終于在 2015 年 9 月 14 號采集到了 13 億光年外兩個黑洞合并時所產(chǎn)生的引力波。
再回到引力波本身上，在各種宇宙射線和輻射中，為何只有引力波能夠突圍而出呢?正如前面所說，物質(zhì)的振蕩產(chǎn)生攜帶能量的引力波，但是物質(zhì)原本情況下是沒有動能或勢能的，這看上去好像不符合能量守恒。這就是狹義的偉大之處，正是因為質(zhì)能統(tǒng)一，引力波所攜帶的能量其實是運動時物質(zhì)所損失的質(zhì)量(物質(zhì)振蕩時會損失一定的質(zhì)量，但是振蕩幅度必須足夠大才能產(chǎn)生足以被探測到的質(zhì)量丟失)，所以引力波恰恰是能量守恒的產(chǎn)物。
由此，在 13 億年前，一個質(zhì)量為 29 個太陽質(zhì)量和一個質(zhì)量是 36 個太陽質(zhì)量黑洞在不斷接近的過程中高速繞對方旋轉(zhuǎn)，導致整個系統(tǒng)的物質(zhì)劇烈振蕩，最終合并成一個 62 個太陽質(zhì)量的大黑洞，而 3 個太陽質(zhì)量的能量通過引力波的形式傳播，經(jīng)過 13 億年的旅程來到地球，才被精密度極高的 LIGO 探測到。
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