爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波｜深度专访

第三阶段。然后，这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞（科尔黑洞）。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周围绕转，并且逐渐逃逸到远处。

为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢？我们不是说过引力波携带能量吗？有一部分的质量以引力波的形式被释放了。这些引力波携带的能量等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。

黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。对应到标准宇宙学中的“红移”，这个事件所在的红移是0.09。在这个事件发生的时候，咱们的宇宙的“尺寸”是现在的91%。

意义

上面的三个过程，让我们第一次“亲眼看到”了黑洞的存在。由于引力波可以看成是直接推动了镜子的机械振动，我们也可以说是亲耳听到了黑洞的存在！

为什么我们知道是两个黑洞变成一个黑洞呢？下面我们给一个粗略的解释。单个物体的质量，可以从是通过波形的振幅和频率随时间演化所测定的。而上面第一、二个阶段的转换，可以让我们推测出每个物体的尺寸，从而断定它们都是黑洞。第三个阶段，波形的频率和衰减率可以让我们推断出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的几何结构。

LIGO科学家还从这个引力波的波形， 对相对论的预言做了一定的检验，并且在统计误差范围之内没有发现和相对论的区别。粗略的说，就是在波形的不同时间、不同频段，和相对论预言的吻合程度相对一致，没有发现系统的差别。

其中一个比较有特色的检验就是关于引力波的传播速度的检验。没有其他方法比较，怎么能说明引力波是以光速传播呢？简单的答案就是，对于这个事件，由于没有其他方法比较，只能间接的对引力波的传播做一个检验。由于在不同频段波形和广义相对论的预言吻合，我们可以推断，引力波在不同频率上的传播速度一致。不同频率上传播速度一致的波，根据“狭义相对论协变性”的要求，一般来说应该是以光速传播的。于是，从这个意义上讲，这次也算是部分、间接的验证了引力波以光速传播这个性质。

直接探测到双黑洞的碰撞，只是引力波天文学的开端。就算你猜中开头，也绝猜不到结尾！因为没有结尾！

对于双黑洞引力波的研究，GW150914只是一个开端。更多的双黑洞事件，会让我们更详细的了解黑洞附近的时空几何，以及黑洞碰撞时候时空的几何动力学性质。下一步使用LIGO，我们还期待着双中子星、黑洞中子星碰撞的发现。这些，还会让我们了解中子星的内部结构。更进一步的，LIGO还希望可以探测到从单个中子星发出的连续引力波辐射，甚至是背景引力波辐射。LIGO打开了一扇探索宇宙的新窗口，更令人兴奋的是一些未知源的引力波爆也可能被探测到。

大部分引力波源发射引力波的时候也发射传统天文学的“信使”：电磁波，中微子和宇宙线。 结合传统天文学的信使，引力波－多信使对应体－宿主星系这一体系的进一步联合观测将不但有利于提高引力波的定位和参数估计精度，还能提供对于引力波多信使对应体本质的更多理解。

在Advanced LIGO之后，我们希望能提高地面引力波探测器的精度，从而探测到更多的双黑洞，双中子星，中子星－黑洞双星等事件；这将提供关于详细的黑洞形成和演化的更确切数据，更可以使我们直接推断中子星状态方程，暗能量状态方程等等物理学、天文学、宇宙学更为有趣的问题。增加更多的事件、并且探测到更高信噪比的信号，也有利于精确的研究黑洞的性质，与广义相对论做更详细的比对。

更进一步，我们要在空间建立引力波探测器。在空间，物体之间的距离更长，而且没有地面上振动的扰动，让我们可以观察低频率的引力波，可以探索超大质量黑洞绕转和小黑洞围绕大黑洞旋转等有趣的现象，从而了解星系形成的过程和进一步了解黑洞周围的时空结构。

以下是知社学术圈对陈、范两位老师独家采访

陈雁北，加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士。2003年在Kip Thorne指导下从加州理工学院获得博士学位。2007年回加州理工任助理教授，2013年升任正教授。

范锡龙，湖北第二师范学院物理学副教授，中国引力与相对论天体物理学会会员。2006年-2007年访问德国马普所引力物理研究所1年，跟随陈雁北、温琳清等人学习。2008年在朱宗宏教授指导下获得北京师范大学硕士学位。2012年获得意大利里雅思特大学博士。曾获得英国皇家学会“ Newton International Fellowships ”和中国国家自然科学基金资助。

陈雁北（右）和范锡龙（左）在加州理工办公室

知社： 能不能介绍一下您在LIGO科学联盟中的工作，以及对引力波探测的贡献？

陈雁北：我在1999年进入Caltech的时候，本来没有太多的目的性。但是听了Kip Thorne讲课，觉得他这个教授比较有意思：不但兴趣广泛，而且往往能把很复杂的问题用很简单的方法搞定。我那时候觉得我自己数理基础不是特别好，不敢搞特别抽象的高能物理理论，手又笨搞不了实验，于是就决定追随Kip Thorne。

从1980年开始，Kip Thorne和他的学生Carlton Caves，以及合作者，莫斯科大学的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在对LIGO灵敏度的研究中，涉及到了对单个量子物体连续测量的理论，我刚入学的时候对这个问题特别感兴趣。

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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