“活捉”引力波 人类拼好三种致密双星并合“魔方”

遥望星辰大海，看似平静，却也激流涌动，“眉目传情、暗送秋波”现象在天文探测中时有发生。

6月29日，《天体物理学杂志快报》发表论文称，来自美国LIGO、欧洲Virgo和日本KAGRA的天文学家公布了他们的合作成果。在LIGO和Virgo的第三轮运行中，天文学家接连发现了两例来自黑洞－中子星并合的引力波事件——GW200105和GW200115。

这是人类首次确认黑洞－中子星并合。至此，通过“活捉”引力波，人类拼好了包括双黑洞和双中子星并合的三种致密双星并合“魔方”。

捕获引力波或是巧合

“对一个天体对象的探测，无非有两种方法：一个是引力，一个是电磁波。”华中 科技 大学物理学院教授邹远川说，首次探测到黑洞—中子星并合事件，或是巧合。

早在2015年9月14日，人类首次通过LIGO和Virgo发现了双黑洞并合产生的引力波， 这也是首次探测到引力波， 因此获得2017年诺贝尔物理学奖。

两年后，2017年8月17日， 科学家观测到双中子星并合产生的引力波， 同时也看到并合后抛出的中子物质间接产生的伽马射线,光学辐射等电磁信号。

邹远川介绍，至此，对致密双星并合的探测中，地面引力波探测器只剩黑洞－中子星并合事件未看到。这次LIGO、Virgo和KAGRA的共同探测成果，正好完成了拼图。

“近年来，以LIGO为代表的引力波探测器，灵敏度稳步提升，这是人类发现黑洞－中子星并合事件的关键。”北京师范大学引力波与宇宙学实验室博士朱兴江介绍，相对而言，黑洞－中子星并合或许没有双黑洞、双中子星并合频繁，我们需要能看得更远的探测器去发现它们。

时隔四年，黑洞－中子星并合为何最后一个被探测到？

邹远川认为，主要原因有两个， 一是该事件发生率较低且信号强度比较弱， 目前被探测到的绝大多数是双黑洞并合， 其质量比中子星大几十倍，产生的信号强烈； 二是巧合， 如双中子星并合的理论探测率也不高， 目前一只看到了一个， 先于黑洞－中子星发现，也仅是巧合

“黑洞－中子星并合原则上也会辐射电磁波，但在这两个并合事件中，没有探测到任何电磁波信号。”朱兴江说，可能是它们距离地球太远，且方位不清，难以捕捉，抑或是黑洞质量比中子星大很多，中子星直接被黑洞吞噬了，仅造成时空的震颤，没有留下其他任何痕迹。

质量决定身份

邹远川说，判断并合事件类型，主要以两个天体的质量来确定，引力波波形中包含并合天体的质量信息。

中子星质量上限， 称为奥本海默极限， 大致为三倍的太阳质量， 致密天体超过该质量可以确定为黑洞

这次探测到的引力波事件GW200105，为约89倍太阳质量和19倍太阳质量致密天体并合， GW200115则是约59倍太阳质量和约14倍太阳质量致密天体并合。其中质量大的为黑洞， 质量小的被认为是中子星。

“原则上，两个更小质量的天体也可能是黑洞，但其质量与中子星一致，且以前并未发现如此轻的黑洞，所以判断是黑洞－中子星并合最为合适。”朱兴江介绍。

目前，地面引力波探测器发现的50余例引力波事件均来自两个致密天体的绕转和并合现象。

“引力波频率不同， 探测手段也不一样。”邹远川说，宇宙中的超新星爆发、中子星或白矮星非对称振动、宇宙深处超大质量双黑洞并合、 小黑洞围绕超大质量黑洞的旋进和宇宙早期一些剧烈物理过程都会产生引力波。

邹远川介绍，目前，LIGO、Virgo和KAGRA主要探测千赫兹的引力波。我国天琴计划、太极计划及欧洲的LISA计划为空间引力波探测计划， 主要探测毫赫兹附近的引力波。此外，更低频的，约1纳赫兹引力波， 主要以脉冲计时整列的方式探测。

“不少信号特征，与我们日常生活中出现的声音相似。”朱兴江说，引力波信号随机背景类似收音机播放的噪声，旋转中子星的信号则是一个单频连续信号，超新星爆发的信号可能是一个短暂的爆炸声，两个致密天体绕转的信号或更像鸟叫声，科学家们形象地称之为啁啾信号。

“理论验证”开启探秘之门

“探测到黑洞－中子星并合事件 凑齐了三种致密双星并合的拼图， 符合理论预期。”邹远川如是说，GW200105和GW200115两个事件均未观测到电磁对应信号， 也和理论预期一致。

他介绍，黑洞－中子星并合有两种情形， 若黑洞质量比较大， 黑洞将直接吞噬中子星， 预期没有电磁辐射， 符合目前观测到的两个事例； 或是黑洞质量较小， 则通过潮汐力撕裂并合时候的中子星， 其中部分中子物质被抛射出去， 产生核合成及电磁辐射。

因此，伴有电磁辐射的黑洞－中子星并合事件是下一个值得期待的突破。

朱兴江认为，这次观测成果证实了包括银河系在内的黑洞－中子星双星系统，或在宇宙中广泛存在，“黑洞－脉冲星系统也许很快将被发现。”

在邹远川看来，更长远的突破是地面引力波探测设备进一步升级， 能观测到宇宙中所有正在发生并合的双致密星， 为人类了解恒星特别是双星的演化提供绝佳手段， 可以不受阻碍地知道宇宙中所有正在发生的某类事情。

同时，我国天琴计划、太极计划和欧洲LISA计划实施后， 将能观测到宇宙早期超大质量黑洞的并合， 为我们理解星系中心黑洞的成长 历史 提供直接证据。

“联合探测十分值得期待。”邹远川兴奋地说，把较低频的空间引力波探测和LIGO的千赫兹探测结合， 加上频率接收范围介于二者之间的探测器， 可监测双致密从互相绕转到最终并合的整个 历史 ， 还能提前预报并合事件， 得以让传统望远镜提前观测， 将引力波和电磁信号进行联合， 让人类全面了解黑洞的本质等神秘现象。

编辑/范辉

你朝水里扔一块石头，会在水里激起涟漪，它是由水的波动形成的，没瞎的人都见过。

但其实这颗石头还激起了另一种你根本无法感知的涟漪，这种涟漪是由时空的波动形成的，并以光速向四周传播。

在它经过的地方，时空会被拉伸，存在于时空中的一切物体也都会被拉伸，而这种涟漪的名字，各位早就已经耳熟能详了——

引力波最初是 亨利·庞加莱 于1905年，基于洛伦兹变换提出的设想， 根据庞加莱的推论，一切物体运动时都会产生引力波，所以你无时不刻不被引力波笼罩着 。

可是引力波这玩意儿吧，即看不见，又摸不着，完全找不到证明它的办法，只是从理论上来说，它好像应该有，而且还无处不在。另一个跟它有相同特征的东西是鬼，所以庞加莱就等于提出了个鬼一样的设想。

10年后，爱因斯坦的《广义相对论》横空出世了，这个伟大的理论更明确地预测了引力波的存在，同时也成功地把引力波炒上了热搜，大量嘴炮……哦不是，大量科学家纷纷参与到了引力波的研究和讨论中。

emmm……反正就是围绕有没有引力波这个问题打嘴仗嘛。

而有趣的是，广义相对论明明白白地预测了引力波的存在，爱因斯坦本人却一度跟自己的理论杠上了。

1936年，他给他的朋友——德国物理学家 马克斯·博恩 写了一封信，说他和 内森·罗森 经过仔细研究后，发现 引力波只是引力场方程中体现出来的一个数学假象，实际上根本就不存在。

也是在同一年，他又在 美国物理学会 旗下的科学杂志—— 《物理评论》 上提交了一篇论文，详细阐述了他和罗森的研究结论。大致的意思就是 引力波一旦形成，就会在自身引力的作用下坍缩成奇点，而不会像广义相对论预测的那样，携带着实际能量在空间中传播。

也就是说，爱因斯坦当时的立场是：虽然我的理论表明引力波应该存在，但我亲自证明了引力波没法存在，你说气人不？

不过这事儿最后没把别人气着，倒是把爱因斯坦自个儿气得不轻。因为他 这篇论文没能通过同行评议，刚发表就被 霍华德·罗伯逊 匿名驳回了 。罗伯逊还在原稿中附上了一份说明，表示论文有错误，让爱因斯坦自己拿回去检查修改，颇有一种你懂个der的广义相对论，好好想想自己错在哪的感觉。

这事儿一出，可把爱因斯坦给气坏了，论文被驳回了不说，还不知道是谁干的，所以他发誓以后再也不在《物理评论》上发表论文了。

好在当时身为爱因斯坦助手的波兰物理学家—— 利奥波德·英费尔德 ，跟罗伯逊一直有来往，于是在他的周旋和调解下，爱因斯坦终于接受了罗伯逊的意见，经过重新计算后，认同了引力波的存在。

当然，爱因斯坦自始至终都不知道罗伯逊就是驳回他论文的人，假如他知道的话……呃……我也不知道会发生什么。

不过 爱因斯坦尽管承认了引力波的存在，却始终认为引力波微弱得根本不可能被探测到 ，而在这个问题上，爱因斯坦其实是对的，就引力波的微弱程度来说，它的确不可能被探测到。

我知道我这么说，一定会有很多人忍不住想问一句，诶，哥们儿，你是不是村里还没通网呢，那玩意儿不是2015年就已经被LIGO探测到了吗？谁说探测不到了？

的确， 引力波目前已经被LIGO先后探测到了两次 ，但这事儿吧，不能说爱因斯坦太低估后代的本事了，只能说那帮搞引力波的物理学家实在是太牛批了，他们是 真正意义上的完成了一件根本不可能完成的任务。

注意，我说的是“真正意义上的不可能”，意思就是我绝对没有夸大其词或故意渲染。

因为很多人都知道， LIGO是由两条相互垂直的4公里长的金属管道组成的 ，而它当时探测到的信息，是其中一根管道在引力波经过的瞬间，发生的 10的21次方分之一 的拉伸。这个数字意味着这条管道当时被拉伸的长度，仅仅只有一个质子直径的1/1000。

质子是组成原子核的亚原子粒子，原子核的体积只有原子的几千亿分之一，而质子比原子核还小得多，那你想想，它的直径的千分之一是什么概念？

如果你实在想不出来，那就这么说吧， 你哪怕站在LIGO的干涉臂旁边大喊一声，它的振幅都比那次引力波造成的拉伸要大出上千亿倍。

这么微小的长度变化，仅仅只是想测量出来就已经难如登天了，而想到了足够灵敏的办法之后，还必须从各种环境干扰中把引力波的信号区分出来，这更是无异于痴人说梦。

举个例子来说， 我把你关在一个木桶里，然后朝木桶上滴一滴水，你需要通过木桶的振动测量出这滴水是何时落下的，而最重要的是，这个木桶被放在磅礴大雨中。

也就是说，你必须想办法在木桶一直被雨淋着的情况下，通过几乎不存在的细微振动把一滴特定的水测量出来——这就是LIGO需要完成的任务。所以探测引力波看起来是多不可能的事情，也就可见一斑了。

正因如此，LIGO计划刚被提出的时候，很多人都表示——

然而就是这种看上去根本不可能完成的任务，在2015年9月14日的那一天，被LIGO完成了——当这个消息被宣布出来的时候，全世界都为之沸腾了。

曾经的天方夜谭，如今成为了现实，人类终于在捕捉引力波这件事情上见到了曙光，随之迎来的是欧洲的 爱因斯坦望远镜计划 、美国的 宇宙 探索 者计划 、日本的 KAGRA计划 ，以及中国的 阿里计划、太极计划、天琴计划 等一系列引力波探测计划的提出，引力波研究从以往的纸上谈兵，一下子迈入了百家争鸣的全新时代。

可问题是，我们为什么一定要费尽心思，且不惜重金地去捕捉这么微弱的信号呢？

当我们仰望夜空的时候，除了明月和那些璀璨的繁星，剩下的就是无边无际的黑暗，然而在这些看似空无一物的空间里，却隐藏了许多人类苦苦追寻的答案。

宇宙自大爆炸之日起，就无时不刻不在发生着一些事情 ，譬如星系的形成、天体的消亡、黑洞的碰撞、乃至宇宙本尊的诞生。

它们有的是刚发生的，有的发生在距今几百万年、几千万年、甚至几十亿或上百亿年前，而 与这些事件有关的信息，并不一定都会以电磁波的形式辐射出来，或者它们辐射出来的电磁波由于种种原因，永远也无法来到地球 。

对于这类事件，我们哪怕建造出再先进的天文望远镜，也无济于事。

这就好比捂住你的耳朵，再把你扔进一个黑漆漆的洞穴里，那么在洞穴的阴暗处发生的任何事情，你都将一无所知。可是一旦有了声音，你就能靠光线之外的另一种信息载体，窥见到这些秘密了。

而 引力波恰恰就有着与声音十分相似的特性，它携带着信息在空间中传播，又很难像电磁波一样被物体阻挡 ，所以它能把许多电磁波无法带来的古老信息呈现给我们，让我们有了窥探更多宇宙事件的机会。

譬如LIGO探测到的首个引力波信号，就让我们知道了 宇宙中不仅存在双黑洞系统，它们碰撞后还合并成了一个更大的新的黑洞 ，而这场发生在13亿年前的古老事件，只有引力波才能告诉我们，因为那是两个黑洞之间的故事，电磁波连从它们身上逃走的机会都没有。

所以研究引力波具有无比非凡的意义，引力波探测技术的突破，以及引力波观测站的建立，就如同让我们在有了天文望远镜这个千里眼之后，又多了一双顺风耳。

　　9月30日，中国科学院吴岳良院士在山西大学作了题为《引力波探测、引力本质和统一场论》的学术报告。山西大学党委副书记、副校长张天才主持报告会。

吴岳良院士从“引力波探测与太极计划”“广义相对论及其理论局限性”“量子-宇宙物理前沿与挑战”“引力本质与超统一场论”四方面进行讲述。吴岳良是空间引力波探测“太极计划”首席科学家，他向在场师生普及了开展引力波建设的原因、重要性、科学意义以及国际上引力波探测建设进展，详细阐述了空间太极计划的科学目标和发展计划。引力波的精密测量为 探索 宇宙起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段，“太极计划”的骄人成果以及建设经验令在场师生深受启发，受益匪浅。

吴岳良还介绍了基本粒子物理与量子场论、引力量子场论与统一场论及量子宇宙物理等领域一系列科普内容和独创性工作。21世纪开启了引力波与量子统一场论新纪元，吴岳良指出，超统一场论（HUFT）迈出了统一自然界已知的所有基本粒子和基本力的第一步，其基本原则之一时基本粒子的内禀量子数和独立自由度决定时空的维度与结构。超统一场论的建立涉及对时空、几何、宇宙、物质、能量观念的重新认识。

物电师生济济一堂，共同聆听了讲座。吴岳良与在场师生就报告中的疑难点进行了精彩讨论。通过吴岳良的耐心解答，大家对引力本质和时空结构的变化有了更清晰的理解，对于引力波探测事业产生了更浓厚的兴趣。讲座在师生热烈的掌声中圆满结束。（通讯员：山西大学张颖）

在九月十八号的时候，吴月良表示中国科学院已经启动了引力波探测的太极二号双星计划，和我国其他的太空计划相比较起来，这一次的太极2号双星计划，那就低调多了，想想之前的项目从载人航天飞船神州开始，就在全世界炸开了锅，接着探月项目嫦娥，中国空间站系统天宫，直到最近的火星探测项目天问，这些项目那就是一个比一个高调，一个比一个更具有影响力，都是备受全世界瞩目的太空项目。

关于这一次太极二号双星计划，主要就是在于引力波的探测，说到这个可能很多人都不是很懂，因此也就没有什么太多的兴趣，其实引力和我们的生活息息相关和之前的几个项目比，这一个项目更加对于我们有重大意义。我们想一想，如果生活中没有了引力，我们的生活会变成什么样子。可以说地球上的秩序就会乱成一团，在太空中星球与星球之间也会出现许多事故。别说我们能够正常生活了能不能好好生活还是个问题。

在宇宙里面地球的引力还不算最大的，因此在这一个作用的情况下，我们是看不到另外一个时空存在的，这就是为什么我们自身的感官对于四维空间的感知是一无所知的，而且在茫茫宇宙里引力波要是突然减弱，在这期间产生的时间折射会慢慢修补，这样的话对于四维以下的每一个空间都会变成表情。就好像我们画家画的画一样，画板不论怎么样画的多立体，画板就是扁平的，我们人不管多立体到时候也会成为画一样。不知道你懂不懂这个意思，这比较抽象，反正大概就是这样一个情况。

当引力波被探测到的时候，就能知道黑洞到底是什么了，因为引力波就是我们观察宇宙的一把钥匙。