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出品 | 科普中國(guó)

制作 | 黑洞來(lái)客 茍利軍 黃月

引力波無(wú)疑是2016年科學(xué)界最大的新聞之一。

2016年2月和6月，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉儀引力波天文臺(tái)）和Virgo（室女引力波探測(cè)器）科學(xué)組織聯(lián)合，先后公開(kāi)宣布了兩次探測(cè)到的引力波事件，街頭巷尾都在議論著引力波，這被認(rèn)為是科學(xué)史上100年來(lái)的最大突破。

此后一段時(shí)間里，關(guān)于探測(cè)到更多引力波事件的謠言不斷出現(xiàn)，但并未得到官方的確認(rèn)。5月31日，在距離上次發(fā)布會(huì)近一年之后，LIGO和Virgo科學(xué)合作組織舉行了一次內(nèi)部媒體發(fā)布會(huì)，正式確認(rèn)了第三次引力波事件。

圖1：雙黑洞合并模擬

在大眾傳媒中間，引力波似乎已成為一個(gè)過(guò)氣話題，而對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，對(duì)于引力波的探索和研究才剛剛開(kāi)始。

LIGO發(fā)言人大衛(wèi)·舒梅克（David Shoemaker）在發(fā)布會(huì)上說(shuō)，他期待著，十年之后，引力波領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)將超出我們的想象。

黑洞來(lái)客團(tuán)隊(duì)以自由撰稿人的身份申請(qǐng)旁聽(tīng)了這次內(nèi)部發(fā)布會(huì)，這一次，人類又發(fā)現(xiàn)了哪些宇宙的小秘密呢？

一次略顯神秘的“秘密發(fā)布會(huì)”

雖然發(fā)布會(huì)的召開(kāi)時(shí)間是北京時(shí)間5月31日深夜，但今天并沒(méi)有什么關(guān)于引力波的新聞見(jiàn)諸報(bào)端。

原因有二：

一來(lái)，之前兩次發(fā)布會(huì)都采用了視頻直播的方式，聲勢(shì)浩大。

圖2  此前兩次視頻發(fā)布會(huì)是這樣式兒的（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

這次則選擇了更為方便的電話會(huì)議，參會(huì)人員不必專程聚集到某一個(gè)地點(diǎn)；這也表明了引力波探測(cè)事件的日?；?，隨著探測(cè)靈敏度的提高，將有越來(lái)越多的引力波事件被發(fā)現(xiàn)，隆重的視頻發(fā)布會(huì)已不再必要，除非發(fā)現(xiàn)全新的天文現(xiàn)象。

二來(lái)，依據(jù)主辦方規(guī)定，關(guān)于此次新聞發(fā)布會(huì)的報(bào)道須在24小時(shí)后才能發(fā)布，也就是北京時(shí)間6月1日23時(shí)之后。

不僅如此，為了保證內(nèi)容不被提前透露，這次發(fā)布會(huì)采用了邀請(qǐng)加入的方式（RSVP），須事先得到組織方的加入指南，才能進(jìn)入電話會(huì)議中。黑洞來(lái)客團(tuán)隊(duì)以自由撰稿人的身份申請(qǐng)旁聽(tīng)，很快獲得回復(fù)和批準(zhǔn)。在進(jìn)行連接和登記之后，我們進(jìn)入了這場(chǎng)“秘密會(huì)議”的“大廳”。

麻省理工學(xué)院教授大衛(wèi)·舒梅克是新當(dāng)選的LIGO發(fā)言人，他首先宣布advanced LIGO（簡(jiǎn)稱aLIGO，原來(lái)激光干涉引力波天文臺(tái)的升級(jí)版）發(fā)現(xiàn)了來(lái)自兩個(gè)黑洞合并的新引力波源GW170104，以及本次新發(fā)現(xiàn)引力波事件的基本特征。

與之前的LIGO相比，改進(jìn)后的aLIGO靈敏度更高，探測(cè)范圍更遠(yuǎn)。

它于2015年9月開(kāi)始正式運(yùn)行，在2016年年初結(jié)束了第一期的運(yùn)行。在此期間，它探測(cè)并確認(rèn)了我們此前熟知的兩個(gè)引力波事件——GW150914和GW151226。

經(jīng)過(guò)短暫的修整和調(diào)試，aLIGO從去年11月30日開(kāi)始第二次運(yùn)行，預(yù)計(jì)今年8月份結(jié)束。在第二次運(yùn)行過(guò)程中，aLIGO發(fā)現(xiàn)了此次公布的GW170104事件。此時(shí)距離上一個(gè)引力波確認(rèn)事件，已過(guò)去了一年時(shí)間。

相隔時(shí)間看似漫長(zhǎng)，但從LIGO官方主頁(yè)我們可以看出，aLIGO在此次運(yùn)行過(guò)程中已探測(cè)到了6例引力波新事件，平均每月一次！只不過(guò)其它更多數(shù)據(jù)還在分析和驗(yàn)證中。

30億年前一場(chǎng)用時(shí)0.1秒的大事件

黑洞看似神秘，實(shí)為宇宙間最為簡(jiǎn)單的一類天體。

為什么這么說(shuō)？因?yàn)橥ǔＮ覀冎恍枞齻€(gè)量（質(zhì)量，自轉(zhuǎn)和電荷）就可以描述一個(gè)理論上的黑洞，物理學(xué)家把這稱為“三毛定理”（或“無(wú)毛定理”）。

對(duì)于宇宙當(dāng)中真實(shí)存在的黑洞而言，描述就更為簡(jiǎn)單，只需要質(zhì)量和自轉(zhuǎn)兩個(gè)量。（因?yàn)楹诙粗車ǔ４嬖谥杂呻姾?，即使黑洞本?lái)帶電荷，也很容易達(dá)到中性。）

科學(xué)家們通過(guò)引力波測(cè)量黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)，有著非常大的優(yōu)勢(shì)。一旦測(cè)量到了引力波，通過(guò)波形比對(duì)，我們就可以知道黑洞合并前后的這些物理量的大小了。

圖3  觀測(cè)到的引力波頻率演化圖和形變演化圖

通過(guò)比對(duì)此次觀測(cè)的波形和不同參數(shù)模型，LIGO的科學(xué)家們得出結(jié)論：此次發(fā)現(xiàn)的引力波事件和之前的兩例類似，也是來(lái)自于兩個(gè)黑洞的合并。

在合并之前，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為31.2和19.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，合并后產(chǎn)生了一個(gè)48.7太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。黑洞合并的一瞬間，以引力波的形式釋放出了近2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，那一刻所產(chǎn)生的能量要比整個(gè)宇宙中所有恒星釋放出來(lái)的能量之和多幾十倍。

這次氣勢(shì)恢弘的黑洞合并被LIGO在兩個(gè)不同地方的探測(cè)器（分別位于Hanford和Livingston）同時(shí)觀測(cè)到了，Hanford早探測(cè)到了3毫秒。整個(gè)信號(hào)過(guò)程只持續(xù)了短短的0.1秒。

這場(chǎng)合并發(fā)生在距離我們30億光年的地方。自事件發(fā)生起，經(jīng)過(guò)了宇宙間30億年的傳播，才最終抵達(dá)我們的地球。LIGO之前探測(cè)到的兩個(gè)事件，分別位于13億和14億光年之外。

這也說(shuō)明了aLIGO運(yùn)行狀態(tài)良好，甚至可以說(shuō)是超常發(fā)揮了。因?yàn)榘凑罩暗墓烙?jì)，aLIGO應(yīng)該最遠(yuǎn)可探測(cè)到23億光年之外由兩個(gè)30太陽(yáng)質(zhì)量黑洞合并的信號(hào)，而這次的30億光年遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)家們的預(yù)估。