黑洞是因为惯性还是重力

重力波示意图。当一个物体加速时(比如两颗超大质量恒星相互缠绕)，空之间的扭曲会发生变化，从而产生“波纹”，这种波纹被称为“重力波”。图片来源│R .赫特/加州理工-JPL

激光被分束器分成两束，并分别沿两个管传播。在被管末端的一面镜子反射400次后，两束光会在起始交点处合并并相互干涉。如果没有重力波，两个光路是一样的(两个管子长度一样)，就不会有干涉条纹。如果一个重力波通过，光程不同(管长略有不同)，就会出现干涉条纹，从而探测到重力波。数据来源│ LIGO将获得量子升级插画设计│黄晓君荀琳安

激光干涉仪天线空 (LISA)示意图。相距250万公里的Tai 空中的三个探测器将向彼此发射激光。当重力波穿过，引起空之间的扰动，改变飞船之间的距离，就会影响激光的干涉结果。图片来源│NASA

台湾中央研究院物理所研究员吴怀着培育和推广科学的深厚使命感，将深奥的重力波理论转化为生动易懂的科普讲座，在2019年中央研究院校园开放日上与公众分享。摄影│荀琳安

据《正在研究的事情》(采访编辑:郭亚欣、美术编辑、荀琳安):如果说近年来科普领域最热的关键词，“引力波”绝对是不可或缺的。重力波爆红的原因无非是美国的激光干涉仪重力波天文台(LIGO)在2015年首次观测到了一个黑洞合并产生的重力波，并于2017年获得了诺贝尔物理学奖。到底什么是重力波？跟黑洞有什么关系？在2019年台湾省中研院校园开放日上，中研院物理所吴研究员做了“利用重力波探测宇宙黑洞”的精彩演讲，想和大家聊聊重力波的大小。

重力像水波？

宇宙中的一切都有引力。比如地球可以因为引力把我们“吸”到地表。是太阳的引力使八大行星绕着它旋转。

而爱因斯坦的广义相对论认为引力来自于空之间的扭曲，物体质量越大，周围空的扭曲越大。当物体的加速度前进时空之间的扭曲会发生变化，产生“波纹”，称为“重力波”。吴描述说:“就像水中的波纹一样，水波依赖于水，而重力波依赖于空。」

既然宇宙中有那么多天体，而且很多都是大质量的，那么可以想象我们所在的“空房间”里充满了重力波。一点也不平滑，但可能就像一个大池塘，到处都是水波荡漾。多么颠覆直觉啊！

既然引力波无处不在，为什么在爱因斯坦1916年提出引力波之后，我们才最终通过LIGO找到它存在的证据，相隔了大约100年？

由于重力波引起的“波动”非常小，科学家估计，即使是剧烈的天体合并事件，也能引起重力波引起的空之间的扰动，传到地球时，量级最多只有10-12比1。换算下来，重力波引起的一千米长物体的变化只有原子核直径的千分之一。难怪爱因斯坦提出重力波之后，不过，还好，我们不会一下子觉得自己又矮又胖吧？

虽然爱因斯坦对此没有把握，但不要小看科学家的拼搏精神。由于波动很小，我们设计了超精密仪器来测量！用科学家的大无畏精神做出的LIGO的精确度正好高达10-22！

“在爱因斯坦提出重力波一百年后，我们终于找到了重力波存在的证据”

LIGO的完美L

科学家是怎么做到的？答案在于LIGO的超级特别设计。LIGO由一组两个互相垂直的L形管子组成，每根管子的长度为4千米。首先，从交叉点发出的激光将被分光镜分成两路，每路沿着两根管子前进，然后被管子末端的反射器反射回来。激光来回反射400次后，会在交汇处汇合并相互干涉。

在没有重力波的情况下，两管回来的激光束距离相等，在干涉过程中会互相抵消，不会产生信号。但是，如果重力波导致空之间的扭曲，则可能会影响两个管道的长度。如果稍微拉伸或压缩，两束激光的光路会略有不同，回到交点时相位也会略有不同。这一点点差异就足以让LIGO精密的干涉仪器产生干涉信号，让科学家知道，“嘿！有一个重力波刚刚经过这里！」

换句话说，虽然重力波引起的空之间的扰动超级小，但是LIGO把激光的光路做得超级长，把重力波引起的空之间的扰动尽可能放大到可观测的程度，然后等待一个足够大的重力波到来，这是我们窥探它的好机会。

我看到了！在黑洞的合并中

当然，尽管我们已经用像LIGO这样的仪器做好了一切准备，要看到一个“足够大”的重力波，我们还得借助正确的地点和正确的时间。重力波虽然可以穿透万物，不像光那么容易被阻挡，但如果波源太远，波的强度会随着距离的增加而逐渐减弱，所以需要有一个离地球不太远，能产生明显重力波的波源。

此外，要产生重力波，天体系统的“轮廓”需要在旋转时发生变化，即系统本身的外观越不对称越好。如果球对称天体在旋转，或者天体均匀向内坍缩，就不会产生重力波。另一方面，在一个双星系统相互绕过并最终合并的过程中，由于双星系统的位置不断变化，整个系统的不对称性较高，产生的重力波会比较明显，带出来的能量也会比较大，比较容易观察到。在这种情况下，最有可能产生重力波的事件是黑洞和中子星的合并。下面是两个黑洞合并的计算机模拟，以及在这个过程中发出的重力波。

黑洞和中子星都可能是恒星年老死亡后坍缩的产物。恒星依靠核心物质的核聚变反应来抵抗自身引力。一旦年老，内部核聚变燃料逐渐减少，无法抵抗重力，整个球体向内坍缩成更小的球体。如果一颗恒星的质量足够大，它最终会在“超新星爆发”后离开中子星，在这个过程中，所有的电子和质子都被引力压缩，合并成中子。想象一下引力有多大！如果要形成黑洞，所需要的引力甚至比中子星还要大，甚至连中子都被压缩，形成一个密度无限大的“奇点”，它位于黑洞的中心。是一个目前物理无法解释的“点”。

黑洞和中子星是宇宙中密度最大的第二大天体。如果它们相互交织融合，发出的重力波肯定是可见的。果不其然，2015年9月，LIGO团队首次探测到重力波，信号来自距离地球约13亿光年的黑洞合并。这两个黑洞的质量分别约为太阳质量的36倍和29倍。这个结果震惊了全世界的物理学家，因为这是重力波真的存在的第一个铁证！

在接下来的两年里，LIGO和处女座相继观测到了三次黑洞合并事件引起的重力波，并在2017年8月首次观测到中子星合并事件引起的重力波！由于中子星发射可见光，科学家们通过使用其他望远镜观察合并，获得了许多宝贵的新发现，如重金属的形成。

LIGO和处女座并不是世界上唯一的重力波探测项目。科学家们将利用分布在世界各地的射电望远镜组成一个PTA(爆发定时阵列)。因为爆发就像一座极其精确的灯塔，以固定的时间间隔发出无线电波。因此，如果一个突发受到重力波的影响，那么发出的无线电波与地球之间的距离就会发生微小的变化，从而使其到达地球的时间提前或推迟一点。科学家可以通过观察这种微小的时间差来搜索重力波。

另一方面，欧洲航天局空预计在2030年发射激光干涉仪Space 空天线(LISA)，它由三艘宇宙飞船组成，距离为250万公里。利用类似LIGO的设计，可以从彼此传输的激光的干涉结果中发现重力波。这些重力波探测计划是针对不同的重力波频率，所以可以找到不同的重力波源。重力波的频率越低，越有可能是质量更大的黑洞或中子星的合并，因为系统空占据的空间越大，相互绕一圈的时间就越长，释放重力波的周期也就越长。

重力波:探索天文学的新神器

黑洞在探索重力波中扮演着重要的角色。宇宙中黑洞的合并给了我们一个窥探重力波的机会。另一方面，在科学家们证实了重力波的存在并一次又一次地探测到之后，他们也准备利用重力波来研究天文学。这是因为重力波在传播过程中不会受到任何物体的干扰，不像光或者粒子那样容易被遮挡，所以重力波完全可以传递波源的信息，比如合并事件中黑洞的质量和自旋。所以重力波是研究黑洞甚至其他天文课题的好工具。

“在我们努力寻找重力波之后，重力波逆转了它的角色，从被观测的物体变成了研究天文学的好工具。例如，从重力波的观测中，我们可以看到许多双黑洞合并的事件，这可能为超大质量黑洞的起源提供了一个左证据。

大多数黑洞的质量都落在几十个太阳质量的范围内，通常是恒星死亡造成的。但是宇宙中有很多超大质量黑洞，比如银河系中心的黑洞，质量是太阳的400万倍。前阵子，中央研究院天文所拍摄的第一张黑洞照片的主角，M87星系中心的黑洞，质量是太阳的65亿倍。这些大得令人难以置信的黑洞的起源一直令人好奇。目前主流认为它们是由普通黑洞相互融合逐渐形成的。

另一方面，重力波也有望为吴目前正在研究的“原始黑洞”提供重要的帮助。

泰初黑洞是霍金在20世纪70年代首次提出的，指宇宙刚刚形成时产生的黑洞。当时宇宙中没有天体，只有一些物质分布，有些地方分布密集，可能会坍缩产生黑洞。

这些原始黑洞不同于已知的黑洞。它们的质量可以很小，只有1012kg，大约是地球上一座冰山的质量。因为黑洞会不断发出辐射，不断蒸发，所以这么小的黑洞，蒸发很快，到现在应该差不多消失了。

那么，重力波如何帮助找到太初黑洞呢？重点是:太初黑洞是宇宙早期物质分布比较密集的地方，形成时物质分布是不对称的。如前所述，不对称系统会发出重力波。虽然这些小黑洞可能全部蒸发消失，但曾经发出的重力波不会消失。如果一开始有足够多的黑洞，产生的重力波加起来，我们应该有机会观测到。换句话说，重力波可以为太初黑洞的存在提供左证。

“黑洞在一开始可能是迷你的，但它留下了一个永远不会被抹去的引力波信号。」

总之，重力波的研究才刚刚开始，但是物理学家们都很乐观，希望它能带来更多的惊喜！