引力波与黑洞： 理解宇宙演化

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于是，双黑洞的类星体，或者具有两个黑洞的双星系统，成为探测引力波的热门候选天体，近几年，美国的LIGO的观测目标便指向了这类天体。专家们这次向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息，据说是遥远宇宙空间之外的，由两个黑洞（36倍太阳质量和29倍太阳质量）碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所引发。显然这儿有一个疑问：36+29=65，而非62，还有3个太阳质量的物质到哪儿去了呢？其实这正是我们能够探测到引力波的基础。相当于3个太阳质量的物质转化成了巨大的能量释放到太空中！正因为有如此巨大的能量辐射，才使远离
                        张天蓉
[20世纪60年代，天文学中有四个重大的发现：星际有机分子、微波背景辐射、脉冲星和类星体。这四个发现都是由研究射电天文方法探测到的无线电波而得到的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云，也有可能由此揭开生命起源的奥秘。]
众所周知，世间万物之间存在万有引力，比如说，物体在地球上的重量，便是地球对其引力所致。然而，为众人所熟知的引力，科学家却尚未完全了解它的本质。无论是理论或实验领域，物理学家们对引力仍然在努力地探索不止。
2月11日，LIGO（激光干涉引力波天文台）召开了新闻发布会，向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息，据说是遥远宇宙空间之外的，由两个黑洞（36倍太阳质量和29倍太阳质量）碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所引发。全世界都为之振奋，天文界和物理界的专家们更是激动不已。
那么，引力波的探测与黑洞有何关系？它对我们的科学技术将有何影响？
　四大发现
20世纪60年代，天文学中有四个重大的发现：星际有机分子、微波背景辐射、脉冲星和类星体。这四个发现都是由研究射电天文方法探测到的无线电波而得到的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云，也有可能由此揭开生命起源的奥秘。其余的三项发现都与“引力”有关，也就是说，直接或间接地为100年之前爱因斯坦建立的广义相对论提供了实验观测的证据。
半个世纪之前被两个美国工程师所观察证实的微波背景辐射，为基于广义相对论来描述宇宙的诞生和演化过程的大爆炸模型提供了十分重要的依据。微波背景辐射使宇宙学成为了一门精准的实验科学，对CMB辐射图细节的分析和研究，至今方兴未艾。
脉冲星实际上是中子星，即核心由中子构成。广义相对论建立之后，天体物理学家们也用这个理论来研究恒星的演化过程，恒星的生命历程是与其质量大小紧密相关的，本质上也就是与引力相关。诸如太阳大小的恒星，寿命大约为100亿年，比如我们的太阳正值中年，或者说，大约再过50亿年之后，太阳会爆发成红巨星，然后冷却，成为白矮星，最后还可能成为至今未观测到的黑矮星。但是，质量超过3倍太阳的恒星的命运与太阳不太一样了，它们在爆发成红巨星和超新星之后，因为它们自身强大的引力，最后将“塌缩”成中子星或黑洞。
中子星虽然密度极大，大到难以想象的程度，但它毕竟仍然是一个由我们了解甚多的“中子”组成的。中子是科学家们在实验室里能够检测得到的东西，是一种大家熟知的基本粒子，在普通物质中也都存在。而黑洞是什么呢？这实在是难以捉摸了。黑洞从通俗的意义上理解就是任何东西进去就出不来，光也是如此。从广义相对论的角度而言，黑洞是空间的一个奇点。因此也可以说，恒星最后塌缩成了黑洞，才谈得上是一个真正奇妙的“引力塌缩”。
　类星体的发现
刚才说到的60年代天文界“四大发现”的另一个是类星体的发现。为什么叫类星体呢？因为如果用光学望远镜观测它们的外貌，看起来与恒星（星体）似乎没有任何区别。但是，从它们观察到的“红移”值非常大，又不可能是恒星，因此便被称为“类星体”。
从类星体的红移值看，它们更像是星系，然而，也可以从观测类星体的光度变化周期来判定它们的大小，结果却发现其大小远远小于一般星系的尺度。类星体的尺度虽小辐射能力却相当的大。另外还有一些难以解释的特点，以及后来大量的观测数据，使得人们将它们与黑洞联系在一起。
之后，发现了类星体的宿主星系后，天文学的主流观点基本上认为类星体是年轻而活跃的星系核，是星系发展早期的一段过程，叫作“活动星系核”（AGN）阶段。而在星系核的中心，是一个巨大的超重黑洞，在黑洞的强大引力作用下，一些尘埃或恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的吸积盘。外部的物质被吸进吸积盘，而卷入到黑洞视界以内的物质则不停地掉入黑洞里，被黑洞吞噬，巨大的物质喷流从与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出，同时伴随着大量的能量辐射。
类星体最后将会演化成如同我们银河系这一类旋涡星系，或者是另外一类：椭圆星系。
最有意思的是，后来天文学家们观察到一些拥有两个超重黑洞的类星体，这就大大激发了人们的兴趣。黑洞既然会吞噬周围的一切，那么，两个黑洞碰到一起，会发生一些什么呢？最简单最直观的猜测应该是：它们将互相吞噬，最后合并成一个更大的黑洞。在这个碰撞融合的过程中，一定会以引力波的形式释放大量能量。
第一个在吸积盘内发现有双超重黑洞的类星体是位于室女座的PKS1302-102，它距离地球35亿光年。这个类星体位于一个椭圆星系内。根据计算，这两个黑洞应在33.39亿年前就已经互相吞噬而合并了，但这合并后的景象传到我们这儿需要35亿年！这些光信息还在半途中，因而我们仍然将观测到“双黑洞”！不过，从现在开始，从这个类星体接收到的信息应该是非常精彩的，能让我们看到两个黑洞如何碰撞并合并！
此外，除了光信号之外，还有引力波，物理理论认为引力波也是按照光速传播的，那么，两个黑洞的碰撞合并事件中产生的引力波，也应该可以被探测到！
于是，双黑洞的类星体，或者具有两个黑洞的双星系统，成为探测引力波的热门候选天体，近几年，美国的LIGO的观测目标便指向了这类天体。专家们这次向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息，据说是遥远宇宙空间之外的，由两个黑洞（36倍太阳质量和29倍太阳质量）碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所引发。显然这儿有一个疑问：36+29=65，而非62，还有3个太阳质量的物质到哪儿去了呢？其实这正是我们能够探测到引力波的基础。相当于3个太阳质量的物质转化成了巨大的能量释放到太空中！正因为有如此巨大的能量辐射，才使远离这两个黑洞的小小地球上的我们，探测到了碰撞并合之后传来的已经变得很微弱的引力波。
<p>（作者系美国得州奥斯汀大学理论物理博士，本文经移动新媒体平台《知识分子》授权刊登，有编辑与删节。）