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发表于 2019-3-11 20:00:35
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之前写了一篇文章《两个黑洞碰撞到底是怎么一回事》，大概刚好可以回答你这个问题，现在贴上来，如果想了解更多有关黑洞和引力波的东西可以去看我的知乎专栏“探秘宇宙”：
本文为笔者“探秘宇宙系列之四”
在宇宙中，黑洞碰撞是最为震撼的天文事件之一。由于黑洞的特殊属性，我们无法像观察恒星和行星那样“看到”黑洞的外貌，更不用说“看见”黑洞的碰撞了。但是现在，人们已经可以探测到黑洞碰撞产生的引力波，进而观察黑洞并理解它们的生命周期。
在《遥远的宇宙空间会发生怎样震撼人心的波动？——探秘引力波》一文中，已经详细地介绍了引力波——时空弯曲的涟漪，爱因斯坦的数学表明，大质量的加速运动的物体（如绕着彼此运行的中子星和黑洞）将会破坏时空的结构，使得扭曲的空间的“波浪”从源头向外辐射。这种涟漪将以光速穿过宇宙，携带着辐射源的信息，同时也带走辐射源的部分能量。引力波不是电磁辐射，它的特殊属性使它可以携带电磁辐射所不能携带的有关宇宙的事物和天文事件的信息。同时，由于引力波与物质的相互作用非常弱，它在宇宙中的穿行几乎畅通无阻，由它携带的有关辐射源的信息，不会像电磁辐射穿过星际空间时遭受种种变形或改变。因此，想要了解两个黑洞碰撞到底是怎么一回事，目前为止，引力波是最有效的信息传递方式。
事件回顾：人类第一次探测到黑洞碰撞产生的引力波
尽管爱因斯坦在100年前就提出了引力波的存在，但是，直到2015年9月14日，人类才第一次在物理上感知到时空本身的扭曲。那么，现在，根据近1年来LIGO（The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory，美国激光干涉引力波天文台）官方的数次报告，我们尝试原景重现，回看一下人类“第一次”与引力波亲密接触的故事。
"Ladies and gentlemen. We…. have detected…. gravitational waves! We did it!"（女士们先生们，我们已经探测到引力波！我们做到了！）2016年2月11日，LIGO执行理事David Reitze博士，激动不已地向全世界宣布了这一重要事件，这或许也是100年来人类最为卓越的科学成就之一。
话音落下的那一刹那，位于华盛顿特区的美国国家新闻俱乐部爆发出雷鸣般的掌声，来自世界各地的媒体对这个期待已久的发现的重要性和重量级给予了强烈肯定。这个兴奋的狂欢场景在世界上几十个地方同时发生，LIGO和Virgo Observatory（处女座天文台）的工作人员，大量的科学家和工程师，都在热切地收看互联网直播的新闻发布会。
这个消息之所以如此振奋人心，是因为它使爱因斯坦的广义相对论中最有趣的一个预言从理论变成了现实，人们不再只是通过理论和数学来想象引力波，而是切实地与它发生了物理接触，它还意味着从此人类可以用一种新的方式观察和研究宇宙，这是一个全新的科学探究领域，引力波天文学正式诞生。
尽管全世界是在2月的那个早晨得知这个重磅消息的，但LIGO科学合作组织（LSC）的每一个成员几乎在探测到引力波的当天，也就是2015年9月14日，都得知了第一手消息。
2015年9月14日，或许会永载天文学史册，因为它记录下了好几个第一次：第一次探测到引力波，第一次通过引力波直接探测到黑洞，第一次证明了宇宙中存在双黑洞系统（binary black holes），等等。这一天，大部分LIGO成员都收到了一封邮件，标题是，“Very interesting event on ER8”（ER8的一个非常有趣的事件）。邮件内容很简单，说的是发现了一个非常有趣的事件，根据迅速的调查，它并未被标记为hardware injection（硬件注入），问是否有其他人能证实该事件并非硬件注入。重要的是邮件的附件——由LIGO的两个观测台记录下的一个真正的引力波信号的图像，信号首先到达LIGO在路易斯安那利文斯顿的观测台，7毫秒后信号到达华盛顿汉福德的观测台。由于当时汉福德的观测台比利文斯顿的观测台更安静，因此这个信号显得更加突出，结果就是，利文斯顿说，“我们第一次听到了引力波！” 汉福德说，“我们听到的更清楚！”
此处简单插播一下LIGO探测的原理：LIGO使用两个探测器来捕获引力波通过地球时产生的对时空的挤压和扩张。两个探测器都是巨大的L形，两臂各长4公里。科学家们使用镜子在两臂间来回反射激光束，并测量激光束完成行程需要多长时间。在正常情况下，两臂具有相同的长度，两条激光束的行进时间是完全相同的。但是当引力波经过时（引力波是时空弯曲的涟漪），反射镜之间的空间将在一个方向上微小地膨胀（被拉伸）在另一个方向上微小地收缩（被挤压），于是两个垂直的臂将短暂地具有不相等的长度，导致一个激光束的行进时间比另一个激光束晚了一秒钟的若干分之几的时间。
天文学家们不会立即向全世界宣布他们探测到了引力波，因为科学要求严谨，他们需要做大量的检测、分析、测量信号的强度，寻找任何可能产生信号地方，以及进行很多其他检查，确保他们接收到的信号不是由一些明显的地球信号源导致的。9月14日后的那几天，LIGO的工作人员一直在兴奋和不安中度过：兴奋，它有可能是真的，真的探测到了引力波！不安，它似乎太完美了，LIGO刚刚完成升级，还处于测试阶段，这是真实的吗？LIGO充满了各种讨论，人们互相询问，“这是真的吗？”
直到9月18日，也就是4天之后，几乎每一个LIGO的成员都相信，除非一些故障的发生或者某个邪恶的天才黑进了LIGO的系统，否则它是真的，LIGO的干涉仪已经第一次抓住了引力波！巧合的是，它几乎刚好发生在爱因斯坦发表广义相对论（1915年11月出版）的100年后。爱因斯坦自己并不相信引力波会被检测到，因为它的效应在地球上实在是太小了。但是随着科技的发展，人们做到了！
当然，相信探测到引力波，和证明探测到引力波，中间还有一段过程，这就是为什么9月接收到信号，来年的2月才向世界宣布这个消息。在近5个月的时间里，LIGO 需要做的是，100％肯定其结论的正确。在这段时间里，数百人花费了几千个小时检查每一位数据，每一个计算机代码，每个测量，每次计算，每个潜在的非宇宙解释，以及有可能存在的“流氓”或“恶意”注入（比如某个地方的某个人黑入了LIGO的系统，注入假信号），所有这一切，都被检查，再检查，然后再检查。
在近10月中旬时，科学家们排除了信号是由设备故障、惊人巧合的陆地源、以及恶意注入的可能性，软件分析师们检查完了所有代码，最后，LIGO的工程师们完成了干涉仪传感器的“相关性和耦合性”分析（correlation and coupling analysis），确认信号源确实来自天文物理事件。在接收到信号后的第3、4周内，LIGO的科学家们终于确定了这个信号的的确确是引力波，无疑。
此后，研究转入一个新的方向：解释这个信号。
科学家们得出的第一个结论是，该引力波来自于两个围绕彼此运行的大质量天体的合并。随着它们运行得越来越近，引力波的振幅越来越大，导致干涉仪的两臂随着引力波的不断经过而被拉伸和收缩得越来越厉害。当两个天体合并成一个后不久，引力波突然就平息了（大概是1/200秒后），于是，干涉仪两臂的振动也随之停止。
第二个结论是，信号的频率表明该引力波来自于一个双黑洞系统——信号的频率越低，表明信号源的天体质量越大。只有像黑洞这样质量巨大的天体绕着彼此运动才可以产生LIGO所探测到的频率。
在接下来的几个星期，科学家们继续提出问题，并寻找答案。诸如，这两个黑洞有多大？离地球有多远？当它们合并时释放出多大的能量？它们合并前运行得有多快？方向是什么？幸运的是，由于不同黑洞的合并会产生不同的引力波，就像指纹一样，科学家们可以根据引力波推测上述情况的答案。
通过将探测到的引力波与大量范本进行比较，科学家们大致得到了黑洞质量的范围。第一轮对比结果显示，黑洞的质量在20-40倍太阳质量之间。第二轮，根据第一轮的结果创建了更细粒度的模板。第三轮，LIGO分析人员利用“数值相对论（numerical relativity）”使用模板匹配步骤中找到的最佳参数来生成波形，并将该波形与探测到的引力波信号进行对比。
最终结果出来了，通过广义相对论得出的波形与探测到的引力波波形的匹配度惊人的高，到此时，LIGO的工作依然继续。11月到1月中旬，LIGO科学合作组织（LSC）的成员集中力量撰写有关该发现的论文，1月21日，论文完成并提交《物理评论快报》（Physical Review Letters）。然而，简单提交论文并不能保证它会被立即出版，该论文首先要经过同行评议（peer-reviewed），一个与LIGO无关的匿名的相关专业科学家将阅读和审查论文中的每一个文字、图像、计算和结论。如果LIGO的分析或结论有任何问题，评审员肯定会发现。
此时，美国国家科学基金会（NSF）正在安排2月11日召开新闻发布会，但是LIGO依然做好随时取消新闻发布会的准备，因为如果评审员给予负面反馈，或者提出了需要更多时间来回答问题，论文就暂时不能被发表。
紧张的等待气氛一直持续到1月28日，评审员们的反馈终于出来了，他们的反馈是积极的、热情的，甚至是祝贺的。LIGO的分析是健全的，工作是彻底的，结论不可否认。最终，LIGO终于开始与全世界一同分享这个重要成就。
我们再共同回顾一下LIGO探测到的此次双黑洞合并的一些具体数字：检测到信号的时间是2015年9月14日东部夏令时间早上5:51。根据信号，LIGO科学家估计，碰撞的两个黑洞大约是29倍和36倍的太阳质量，发生的时间是在13亿年前。在不超过1秒钟的时间内，大约3倍的太阳质量被转换成引力波，峰值功率输出（peak power output）约为整个可见宇宙的50倍。根据信号到达的时间间隔——信号首先到达路易斯安那利文斯顿的观测台，7毫秒后信号到达华盛顿汉福德的观测台，科学家们判断两个黑洞碰撞的地点位于南半球（Southern Hemisphere）。这次的事件被天文学家们标记为GW150914。
有了第一次的成功，就会有第二次，幸运的LIGO在数个月后又迎来了一次激动人心的信号。2015年12月25日，东部夏令时间晚上11: 38，LIGO再次探测到引力波信号。此时，在美国，许多LIGO科学家仍在庆祝圣诞节，但还有什么比探测到引力波更重要呢？圣诞晚餐结束，如同第一次一样的检查和解释工作开始。直到2016年6月15日，LIGO才在圣地亚哥美国天文学会（AAS）第228次会议的新闻发布会上宣布了这一发现。
第二次发现意味着第一次的发现不是一次性的，这次的信号被标记为GW151226。根据此次信号的特征，科学家们认为，此次的引力波依然来自于两个黑洞的合并。信号源远在14亿光年之外，与第一次探测到的引力波所不同的是，这次的引力波几乎在同一时间到达两个探测器（第一次两个探测器的接收时间间隔7毫秒），表明信号源位于两个探测器的正中间的一圈天空中的某处。但是由于只有两个探测器，因而还不能精确定位。正因为此，科学家们希望能够通过添加更多的引力波探测器来缩小未来事件的位置，其中包括位于意大利的处女座设施（Virgo facility），处女座合作组织（The Virgo collaboration）由19个欧洲的研究小组组成。
此外，这次合并的两个黑洞，质量都比第一次的小，分别为14.2倍和7.5倍的太阳质量。虽然它的引力波比第一次的要弱，但当这两个轻一些的黑洞合并时，它们产生的引力波信号转移到更高的频率，这个频率恰好是LIGO的敏感波段（sensitive band），使得LIGO可以在两个黑洞碰撞前更早一些时候接收到信号。因而，这一次，LIGO比上一次探测到更多的轨道——在大约一秒钟内有27个轨道（上次，观察值为十分之二秒）。二者结合起来，即更小的质量和更多的观测轨道，是使LIGO能够检测更弱信号的关键。并且，这些条件还允许科学家们可以与广义相对论进行更精确的比较。当然，结果依然是那么漂亮，这次的引力波信号再一次完全符合爱因斯坦的理论。
最后，但同样重要的是，第二次的信号表明，在此次的信号源中，有一个黑洞像陀螺一样旋转。——一个旋转的黑洞表明，这个天体有着不同的历史。例如，它可能曾经在由恒星塌缩形成黑洞之前或之后，从它的伴星吸积了质量，在这个吸积的过程中开始旋转。
今天，人类与引力波的亲密接触就暂时写到这里了，透过现象去了解本质，之间的桥梁是无尽的思考、探索、讨论、合作，以及更多的技术升级。 |
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