激光干涉引力波天文台探测到的引力波事件中的黑洞

2016 年2 月11 日，LIGO 宣布探测到了两个 黑洞并合产生的引力波(图1)[1]，如果最后得到验 证，我认为这就是人类探索宇宙的第5 个里程 碑！前4 个里程碑分别是：(1)400 多年前伽利略 发明了光学望远镜，使得人类的视野得到大大扩 展；(2)20 世纪30 年代杨斯基发现了银河系的射 电辐射，使得人类首次能够在可见光波段以外探 索宇宙；(3)20 世纪60—70 年代贾克尼使用火箭 和卫星发现了太阳系外的第一批X射线源，使得 人类首次能够在地球大气层以外探索宇宙；(4)20 世纪80 年代末戴维斯和小柴昌俊发现了来自超新 星爆发的中微子信号，使得人类首次能够利用电 磁波以外的信号探索宇宙。

图1 产生GW150914 引力波事件的两个恒星级质量黑洞 并合的示意图

我在第二天(2016 年2 月12 日)发表于中国科 学院高能物理研究所微信公众号的一篇文章里把 这个引力波事件GW150914(也就是发生在2015 年 9 月14 日的引力波事件)称为“美猴王”，即猴年 最美的科学事件。那么这件事和“美”有什么关 系呢？

根据我研究发现的广义美的判断法则，审美 的两个要素就是“没缺陷”和“不常见”。一个 人的价值观决定某审美对象是否没缺陷，见识判 断是否不常见，同时满足“没缺陷”和“不常 见”两个条件的审美对象就被感觉是“美”的， 这是判断“美”的充分和必要条件。以此类推， 同时满足“没缺陷”和“很常见”两个条件的审 美对象为“俗”，同时满足“有缺陷”和“很常 见”两个条件的审美对象为“丑”，同时满足 “有缺陷”和“不常见”两个条件的审美对象为 “丑哭”，而“完全没缺陷极端不常见”的审美对 象就是“美哭”！

我们首先考察一下在“ 没缺陷” 方面 GW150914 的表现。这个事件验证了三件事情： (1)爱因斯坦广义相对论的引力波预言；(2)激光干 涉引力波的探测原理；(3)我们论文中黑洞并合没 有其他辐射的预言[2]。其中第一件是大家广泛谈 论的。但是第二件也非常重要，实际上很多人对 这样的引力波探测原理是否正确并没有完全的信 心，因为历史上曾经有过也是根据广义相对论效应 研制的引力波探测器摆了乌龙。第三件事情对我们 (我和我的学生)非常重要，因为尽管众多的空间和 地面的望远镜都进行了搜寻，这次的引力波事件看 来的确没有伴随(强烈的)电磁波爆发，和我们2009 年论文的预言一致[2](后面我还会介绍我们预言的 广义相对论基础)。因此GW150914 满足了我们所 有的期望，当然是完全的“没缺陷”(尤其是对我 而言，因为审美完全是审美主体的主观感受！)

在“不常见”方面GW150914 的表现更为突 出：(1)这个项目团队经过了几十年的努力才获得 了第一个科学成果，这在科学史上应该是史无前 例的；(2)LIGO 是地球上最精密的距离变化测量 仪器，能够测量到在4 km的尺度上小于一个质子 的直径千分之一的距离变化；(3)报道这个结果的 学术论文由上百个单位的上千个作者的署名，同 时这个事件至少导致上亿个手机被刷屏；(4)实现 了五个“第一次”：直接探测到引力波；人类利 用一种从来没有被直接探测到的信号——引力波 ——探索宇宙；发现两个黑洞的系统(以前有两个 黑洞系统的一些线索，但是证据都不够充分)； “听”到两个黑洞的并合；以及发现了两个大约 30 倍太阳质量的黑洞(这的确是一个完全的意 外，因为以前得到精确测量的黑洞质量都是几倍 到十几倍或者远远大于上百倍太阳质量)；(5)宣 布科学成果不到三个月就获得了“科学突破”大 奖！因此GW150914的表现是极端的“不常见”。

既然GW150914 的表现是“完全没缺陷极端 不常见”，符合前面所讲的“美哭”的标准，被 戴上“ 美猴王” 的桂冠是恰如其分的！ 而 GW150914 的“完全没缺陷极端不常见”又和这 个事件来自于两个黑洞的并合关系密切，所以本 文的重点就是黑洞。由于最近媒体和很多文章都 介绍了关于黑洞的很多知识，因此本文就从不同 的角度回答有关黑洞的几个问题：为什么爱因斯 坦不相信黑洞存在？怎么知道这样的天体是黑 洞？物质是如何掉到黑洞里面的？如何获得独立 的证据证明这样的引力波事件的确来自于黑洞的 并合？探测这样的引力波事件对于我们理解黑洞 有什么进一步的作用？

1915 年爱因斯坦发表了广义相对论理论后， 卡尔·史瓦西( Karl Schwarzschild )很快就给出了 广义相对论场方程第一个解析解，也就是不旋转 的球对称分布质量周围的时空几何，后来被称为 史瓦西度规或者史瓦西解。这个解对应的就是黑 洞，它有两个重要特征：一个就是在史瓦西半径 处(R _S = 2GM/c ² ，其中G是万有引力常数，M是黑 洞的质量，c 是光速)，光线的红移无限大，也就 是光线无法从此处以及更靠里的地方逃出去，被 称为事件视界(以下简称“视界”)；另外一个就 是其中心的地方所有的物理量都发散，也就是趋 向于无穷大。如果把太阳这样质量的天体变成一 个黑洞，就需要把它压缩到半径只有大约3 km。 爱因斯坦不认为视界的存在有什么问题，但是他 认为自然界中不能有发散的物理量(视界处光线的 红移趋向于无穷大意味着光子的能量趋向于零， 所以不是发散)，因此爱因斯坦认为史瓦西解仅仅 是一个数学的解，不能对应自然界的天体。

从20 世纪30 年代开始，广义相对论和量子 力学应用到恒星演化的后期，预言了具有不同质 量的恒星在耗尽其热核能源后，最终可能会塌缩 成为性质完全不同的致密天体，如白矮星、中子 星，或者黑洞。小质量的恒星，例如太阳，最终 会成为一颗白矮星，其内部的电子简并压力能够 足以和其引力达到平衡。钱德拉塞卡指出，当更 大质量的恒星形成的致密天体的质量超过大约1.4 倍太阳质量时，也就是所谓的钱德拉塞卡极限， 该天体内部的简并电子气体的压力无法抗拒其自 身的引力，该天体因此将进一步收缩。兹维基 (Fritz Zwicky)和朗道进一步指出，在这种情况 下，其内部的自由电子被挤入质子形成中子，该 致密天体将进一步收缩成为一颗中子星，依靠中 子气体的简并压力和天体的引力达到平衡。

1939 年，奥本海默(Oppenheimer)和他的同事 发表的两篇开创性论文奠定了黑洞的存在和形成 机制的物理基础。奥本海默和Volkoff 的工作指 出[3]，中子星有质量上限。超出这个上限，该致 密天体将在引力作用下塌缩。奥本海默和斯奈德 (Snyder)[4]随后指出，该引力塌缩将无限地继续下 去，最终必须形成黑洞。

但是爱因斯坦则认为应该存在我们尚未发现 的自然规律阻止最后形成黑洞，避免他担心的发 散灾难的发生！今天我们认为黑洞的确是存在 的，那么是爱因斯坦错了而奥本海默对了吗？在 回答这个问题之前，我们首先看看天文观测如何 寻找黑洞以及有没有找到黑洞。

在20 世纪60 年代，Zel'dovich 开始考虑如何 寻找黑洞的问题。根据定义，黑洞是看不见的， 因此他的想法是，通过测量双星系统中可见恒星 的发射线的周期性多普勒变化，来测量一个双星 系统中看不见的天体的质量。如果其质量比中子 星的质量上限还大，那么这个看不见的天体就很 可能是黑洞。同时，他还考虑了致密天体吸积星 际介质的问题，得出了在致密天体附近产生X射 线的结论。Zel'dovich 和Novikov[5，6]结合上面这两 种想法，建议X射线双星是寻找黑洞的最佳候选 系统。于是很快有人就于1972 年发现了第一个黑 洞的证据[7]，也就是X 射线双星天鹅座(Cygnus) X-1 中的“看不见”的天体质量远大于中子星质 量上限。由于Cygnus X-1 的很多观测特征都明显 有别于其他已知天体，尤其是和也产生强烈X射 线辐射的中子星双星明显不同，此后就把具有 Cygnus X-1 的有些观测特征但是没有任何中子星 的观测特征的X射线双星系统作为恒星级黑洞双 星候选体。恒星级黑洞双星候选体并不一定就是 恒星级黑洞双星，因此还必须对恒星级黑洞进行 严格和可靠的观测证认。

对于黑洞的外部观测者来讲，黑洞的本质特 征是其引力质量都在其视界内，而黑洞视界以内 的现象是从外部无法观测到的。因此，学术界和 公众普遍认为，对黑洞存在的终极检验就是找到 黑洞视界存在的“直接”证据。但是，根据视界 的定义，光无法从视界处逃逸到远处的观测者， 因此远处的观测者永远无法获得黑洞的视界存在 的直接证据。然而，在科学研究中，科学发现并 不总是依赖直接证据。例如，我们从来没有“直 接看到”粒子加速器实验中创造出的很多粒子， 通常是通过它们的衰变产物来推断它们的存在。 由于我们无法到达太阳系以外的几乎任何天体而 进行实验来验证该天体的性质，所以确认某一个天 体属性的基本途径就是收集一批“间接”但是“确 凿”的证据。对于证认黑洞，既然放弃了找到黑洞 视界存在的“直接”证据的希望，我们也只能这么 做。几年前我提出了证认恒星级黑洞的五个判据[8]：

(1)该天体表现的观测特征和其他已知类型的 天体不一致；

(2)从该天体没有观测到其他已知类型的天体 区别于黑洞的特征，也就是没有对基于该天体是 恒星级黑洞的模型的反证；

(3)基于该天体是恒星级黑洞的模型能够解释 已知的观测现象；

(4)从观测现象推测的恒星级黑洞的基本参数 是自洽和合理的；

(5)没有替代的理论模型可以比恒星级黑洞模 型对相同或者更多的观测现象解释得同样甚至更 成功。

只要把上面的“黑洞”或者“恒星级黑洞” 换成任何其他类型的天体，上述判据也可以用来 判定这些天体的发现。(关于论证物理宇宙中存在 天文黑洞的一般性判据，请参考文献[9])。事实 上，很少或者也许没有哪个天体的发现完全满足 上述严格而且广泛的判据。所以，尽管这五个判据 比较原则性而不是定量的，但是满足实验物理和观 测天文承认新发现的最高标准。因为发现黑洞的 重要性和影响都非同寻常，这些判据也满足卡尔 萨根的原则，即“非凡的主张需要非凡的证据”。

由于我们在X射线双星中寻找黑洞，所以可 以排除双星系统中两个天体都是普通恒星的可能 性，其中一个天体必然是致密天体，也就是白矮 星、中子星或者黑洞。而白矮星的质量上限低于 大约1.4 倍太阳质量，中子星的质量上限低于大 约3 倍太阳质量，所以如果该致密天体的质量超 过3 倍太阳质量，那么就可以认为“该天体表现 的观测特征和其他已知类型的天体不一致”。这 是上述第一个判据的应用。

因为中子星的质量在一个太阳质量的数量级 左右，半径在10 km左右，也就是其“致密”程 度实际上和黑洞差不多，所以和恒星级黑洞的基 本性质最接近的就是中子星。如果通过第一个判 据的黑洞候选仅仅是一个“大质量的致密天体” 而不是一个“黑洞”，那么这个天体很可能会产 生类似从中子星观测到的特征。我们已经知道， 由于中子星的致密性、强磁场和具有固体表面， 中子星的快速转动能够产生短周期脉冲，而在中 子星的表面吸积物质的积累能够产生X 射线爆 发，所以如果没有观测到这些特征，就可以认为 该天体通过了上述第二个判据。

满足前两个判据之后，实际上我们已经排除 了该天体是任何已知类型的天体的可能性，而且 也排除了该天体是新类型的、类似中子星的“大 质量致密天体”。由于在所有其他可能性中，黑 洞有确定的理论预言，而且是宇宙中最简单的天 体(只有质量和自转)，所以初步认定该天体是黑 洞是非常合理的。在这种情况下我们就把该天体 称为黑洞候选体。(事实上，如果最后判定该天体 不是黑洞，而是另外一种新型天体，意味着我们 对于物理规律和自然现象的认识又大大加深了一 步，其科学意义更加重大。) 而后几个判据的应 用都需要研究当物质或者光线非常接近甚至落入 黑洞时会发生什么。在黑洞附近，有几个重要的 效应能够提供黑洞存在的间接证据：

(1)存在黑洞的最内稳定圆轨道，越过此轨道 该物质将自由落入黑洞。如图2 所示，这个轨道 半径是黑洞自转角动量的单调函数。在某些情况 下可以使用这个广义相对论效应测量黑洞的自 转，例如，通过拟合黑洞周围吸积盘内区产生的 谱线的相对论展宽或者吸积盘辐射的连续谱[10，11]；

图2 黑洞的最内稳定圆轨道半径(R _ISCO )是其自转参数(a _* )的 单调函数。a _* <0 对应吸积盘的转动方向和黑洞相反

(2)黑洞的视界或者击中黑洞的视界的物质不 产生远处的观测者可以观测到的任何辐射，这是 黑洞的视界的体现；

(3)黑洞周围极深的引力势使物质向黑洞吸 积，在这个过程中物质的部分静止质量——能量 被转换成为辐射。吸积黑洞可以通过这个效应被 探测到。在图3 中，我们画出不同种类的黑洞吸 积系统的转换效率，并与其他天体物理系统的转 换效率做比较。黑洞吸积系统的最主要特征就是 其辐射效率能够覆盖很多数量级[9]。

图3 不同内边缘半径(以引力半径为单位)的吸积盘的辐射 效率(辐射的能量占其静止能量的比例)。对角线的粗黑线指 的是黑洞吸积系统，其辐射效率能够覆盖很多数量级[9]

为了定量计算这些观测效应并和观测结果进 行比较，最重要的一个输入参数就是黑洞的质 量，当然在上面应用第一个判据时我们就已经利 用了该天体的质量，或者至少需要知道其质量的 下限。黑洞的自转对于上述的两个(第(1)和第(3) 效应都是必不可少的。

用目前普遍使用的测量这些双星中伴星的视 线速度随轨道位相的调制，可以测量这些恒星级 黑洞候选体的质量函数，也就是绝对质量下限， 然后通过伴星的光谱型可以估算伴星的质量，从 而进一步约束它们的质量下限。这样得到的很多 质量下限都显著大于已知的中子星的质量、甚至 理论上允许的中子星的质量上限，从而排除了这 些天体是最接近黑洞的中子星的可能性。最后通 过测量有些双星系统中伴星的辐射流强随轨道位 相的变化得到双星系统的轨道倾角，从而可以得 到恒星级黑洞候选体质量的有效估计，发现这些 天体的质量基本上都在几倍到十几倍的太阳质量 之间，和大质量恒星演化到最后能够通过引力塌 缩形成黑洞的质量范围一致。

利用广义相对论的黑洞存在最内稳定圆轨道 的预言，我们提出了通过测量吸积盘内半径估算 黑洞的自转的方法[11]，并且得到了广泛的应用。 而在很多恒星级黑洞X射线双星系统中观测到的 在很大的亮度范围内稳定的吸积盘内半径也和广 义相对论的预言一致，表明这种测量黑洞自转的 方法是可靠的，所得到的黑洞的自转参数和广义 相对论的克尔度规的要求一致，进一步提供了它 们是黑洞的支持证据。

由于黑洞只有视界而不能和吸积盘发生作 用，但是中子星的表面磁场会和吸积盘发生作 用，所以当吸积盘的吸积率下降(也就是气压下 降)时，中子星的磁压会迫使其吸积盘半径迅速增 加，而黑洞则不会有这个效应，这和观测结果是 一致的[12]。同时，由于从吸积盘内边缘的物质掉 入黑洞的时候不会产生显著的辐射，而当掉到有 表面的天体(比如中子星)的时候会产生辐射，因 此吸积盘内半径很大(也就是吸积盘的辐射比较 弱)的黑洞系统就会比中子星系统暗很多，这也和 观测结果一致[12]。

综上所述，我们使用基于黑洞的模型能够成 功地解释所有观测到的数据，而且能够说明所有 观测现象和中子星系统的区别，但是没有发现任 何反例。尽管有不同的模型能够形成既不同于中 子星也不同于黑洞的致密天体，但是没有比黑洞 的模型更加简单而且能够解释所有这些观测数据 的模型，因此根据证认恒星级黑洞的五个判据， 我们确信恒星级黑洞X射线双星系统的致密天体 的确是广义相对论预言的黑洞。

既然黑洞在宇宙中的确是存在的，而且我们 已经确认的恒星级质量的黑洞完全符合奥本海默 所预言的恒星演化到最后引力塌缩的过程所形成 的天体，那么是爱因斯坦错了吗？其实未必！

实际上，奥本海默和斯奈德的结论是[4]：对 于共动观测者(也就是随着恒星的塌缩一起做自由 落体的观测者)，塌缩将在有限的时间内结束，物 质进入黑洞的视界并且到达中心奇异点。但是所 有的天文观测者都不是共动观测者，而是外部观 测者。由于外部观测者的时钟和共动观测者的时 钟在塌缩开始之后就不能同步了，我们必须考察 根据外部观测者的时钟物质能否掉入黑洞以及掉 入黑洞最后会发生什么。

根据同一篇论文中奥本海默和斯奈德的广义 相对论计算结果[4]，在外部观测者的有限时间 内，物质逼近视界但是永远不能进入，只能形成 一个“冻结”星，而不是黑洞。这和所有广义相 对论的专著、教科书和科普书中对检验粒子向黑 洞的下落的计算(如图4 所示)以及宇航员到黑洞旅 行的照片的描述都是一致的[13]。因此，不但物质 在外部观测者的有限时间内不能到达中心的奇点 处(因此就不会产生发散的物理量，爱因斯坦担心 的问题就不会发生了)，而且甚至都不能进入黑洞 的视界。这难道不是很奇怪的事情吗？

图4 两个不同坐标系的观测者所测量的粒子向黑洞下落的 速度随距离黑洞视界距离的变化

这个问题从1939 年开始就存在了，而且在引 力物理界有过长时间的争论。那么为什么最近几 十年似乎很少人提及了呢？原因就是大部分理论 家认为，由于爱因斯坦认为所有的坐标系都是等 权的(也就是所谓的广义协变原理，要求在所有坐 标系下物理规律都是相同的)，那么如果能够找到 一个坐标系，在这个坐标系下物质能够进入黑洞 就说明黑洞能够形成。按照这个说法，在共动坐 标系下奥本海默和斯奈德证明了能够形成史瓦西 解对应的黑洞，那么这样的黑洞在宇宙中就能够 形成！但是这样的说法其实有掩耳盗铃之嫌！

在不同的坐标系下有相同的物理规律并不表 明有相同的物理现象！宇航员到黑洞附近转一圈 回来就比等在外面的同事年轻了，这就是两者经 历了不同的物理现象的体现。同理，自由落体的 宇航员能够在有限的他自己的时间内进入黑洞到 达奇点，并不表明外部观测者能到等到他进去到 达奇点。而奥本海默和斯奈德的广义相对论计算 表明，外部观测者的确不能等到宇航员进去：图 4 清楚地表明，无论外部观测者等多久，宇航员 始终在黑洞视界的外面，因为他的相对速度趋近 于零！而这就是黑洞视界的基本性质，尽管在别 的坐标系中黑洞视界可能不存在，但是对于外部 观测者来讲黑洞视界是真实存在的，无法回避前 面的奇怪结论！

甚至很多理论家说，由于使用外部观测者坐 标系会出现视界(也就是上面的麻烦)，所以这个 坐标系有缺陷，我们不能使用这个坐标系研究黑 洞。这就更加荒谬了：地球有很多缺陷，我们生 活中的很多事情都也或多或少有缺陷，难道我们 就不能在地球生活了？理论家研究理论上的黑洞 可以使用任何方便的坐标系，但是我们必须使用 外部观测者的坐标系研究真实宇宙中的黑洞！

那么到底是谁错了：广义相对论？爱因斯 坦？奥本海默？

2009 年，我当时的学生刘元和我重新思考了 这个问题[2]，发现图4 的计算过程中有一个很小的 缺陷：没有考虑检验粒子(比如向黑洞下落物体) 的质量对史瓦西度规的影响。以前没有考虑检验 粒子的质量的理由是：由于检验粒子的质量和黑 洞的质量相比可以忽略不计，所以对度规的影响 可以忽略不计。但是就是这个微小的影响导致了 以前的计算结果的不自洽！

我们发现，在考虑了所有下落物质和黑洞的质 量的全局解之后，即使对于外部观测者，由于物质 下落过程中黑洞的视界在膨胀，最终物质会遇到 膨胀的视界而被吞噬进去，因此是膨胀的视界吞 噬了下落的物质，而不是物质落入了黑洞。因此在 外部观测者有限的时间内，物质能够进入黑洞， 而以前计算的检验粒子不能进入黑洞的原因在于 忽略了检验粒子的质量，因此视界不会膨胀，在 外部观测者的有限时间内永远不能进入黑洞。我 们计算得到的另外一个结论是，在外部观测者有限 的时间内下落物质永远不会到达中心的奇异点！

由于目前知道的唯一可能形成黑洞的途径就是 物质的引力塌缩，所以宇宙中的黑洞虽然质量都在 视界以内，但是在宇宙的有限的寿命内黑洞中心 的奇异点处不会有物质存在，当然也就没有物理 量发散的问题，自然消除了爱因斯坦的担心。物 质塌缩形成黑洞的过程如图5所示。所以最后的答 案是：物质塌缩能够进入黑洞的视界，黑洞能够 形成，但是中心没有奇异点。因此广义相对论没 有错，爱因斯坦没有必要担心物理量发散，奥本 海默等人的一个小疏忽导致了“冻结星”佯谬！

图5 根据外部观测者的时间，物质塌缩进入的示意图：在 有限的时间内物质可以进入黑洞的视界，但是不会到达中 心的奇异点，因此在奇异点处没有物质

LIGO 团队根据所探测到的GW150914 引力 波波形，计算出这个事件来自于两个质量大约为 30 倍太阳质量的致密天体，而目前已知的致密天 体中只有黑洞能够有这么大的质量，因此断定这 两个致密天体是恒星级质量的黑洞。但是根据前 面的判断是否黑洞的5 个判据，似乎因此断定这 两个天体是黑洞并不充分。例如，如果这两个天 体是以前计算得到的“冻结星”，那么也很可能 产生和观测结果一致的引力波波形。

尽管我们根据广义相对论的理论计算排除了 “冻结星”模型，但是能否从对GW150914 的天文 观测也排除“冻结星”模型？我们最近计算发 现[14]，如果这两个致密天体是“冻结星”，那么 “冻结”在黑洞视界的这些物质在并合过程中将 能够通过Blandford & Znajek 机制[15]提取最终形成 的自转黑洞的自转能在很短的时间内释放至少 10 ⁵⁵ 耳格的能量，这将是一个亮度非常高的伽玛 射线暴(如图6 所示)，但是并没有被当时运行的伽 玛射线暴探测器观测到！ 考虑到宇宙中类似 GW150914 的事件会经常发生，即使大部分产生 伽玛射线的相对论喷流可能没有对着观测者而不 被探测到，但是有些这么明亮的伽玛射线暴还是 应该经常被伽玛射线暴探测器探测到。然而目前 已经探测到的几千个伽玛射线暴中还没有一例有 这么高的光度，因此可以断定GW150914 不可能 来自“冻结星”，符合我的学生和我在2009 年的 那篇论文中的明确预言[2]：两个黑洞的并合只能 产生引力波辐射而不会产生电磁波辐射，因为在 外部观测者的坐标系中，物质不可能在黑洞的视 界外面堆积，必须在很短的(外部观测者的)时间 内进入黑洞。

图6 两个“冻结星”并合产生伽玛射线暴的示意图

事实上，只要这两个致密天体不是黑洞，那 么就必然有大量的物质能够在并合的过程中产生 强烈的伽玛射线暴，只不过产生的能量也许没有 两个假想的“冻结星”那么多。未来会有更多的 类似GW150914 这样引力波事件同时被伽玛射线 探测器所监测(比如2016 年下半年中国将要发射 的硬X射线调制望远镜卫星(图7)和天宫二号的伽 玛射线暴探测器，以及预计2021 年发射中法合作 的伽玛暴多波段天文卫星，都具有很好的伽玛射 线暴探测能力)，那么这些探测结果将能够彻底判 定这样的引力波事件是否来自于两个黑洞的并合。

图7 计划于2016 年11 月发射的我国首个X射线天文卫星 的示意图。该卫星除了能够观测黑洞和中子星等致密天体 的X射线辐射之外，也具有探测伽玛射线暴的能力

顺便指出，在报道GW150914 引力波事件的 新闻和学术论文中，包括LIGO 团队在内的几乎 所有学者都表示，两个黑洞并合应该不会产生强 烈的电磁波辐射(包括伽玛射线暴)。但是他们都 是隐含地用了共动坐标系下物质能够进入黑洞的 计算结果，而不是我们在外部观测者坐标系下的 计算结果。因此尽管他们的说法看起来和我们的 计算结果一致，但是他们的出发点是错误的，因 为在共动坐标系下得到的结论不能直接应用到外 部观测者的坐标下。实际上，他们用的共动坐标 系下得到的结论如果转换到观测者坐标系下就只 能得到物质不能进入黑洞视界而只能形成“冻结 星”的结论。因此他们的说法尽管是目前学术界 的标准说法，但是完全属于“张冠李戴”。

根据前面的简要介绍，我们知道即使是在观 测者坐标系中，黑洞的视界外面也不会有物质的 累积。因此两个黑洞组成的天体系统无论在并合 之前还是在并合过程中都只会产生引力波，而不 会产生强烈到能够被探测到的电磁波辐射。因此 引力波是目前研究双恒星级质量黑洞的唯一手 段，所以LIGO 成为第一个发现双黑洞系统的天 文台当然不是偶然的。只有通过系统的引力波巡 天观测，我们才有可能了解这种双黑洞系统在宇 宙中的分布以及形成和演化机制。

根据我们的计算结果，在外部观测者的有限 时间内，物质进入黑洞之后并不会到达中心的奇 异点，因此黑洞内部物质的分布就完全取决于物 质掉入这个黑洞的历史，也就是这个黑洞的演化 历史。当两个这样的黑洞离得比较远时，它们绕 转产生的引力波和它们内部的质量分布无关。但 是在并合的最后阶段，它们相互的潮汐力就和内 部的质量分布有关了，因此就会影响到所产生的 引力波波形和偏振。因此，将来更高精度的引力 波探测将有可能探测到黑洞内部的物质分布，从 而理解它们的形成和演化历史，而这也是任何其 他天文观测手段都不可能做到的。

前面介绍了目前对恒星级质量黑洞的观测结 果，已知的这些黑洞的质量都在几倍到十几倍太 阳质量之间，都处于银河系内以及距离银河系很 近的星系的由一个黑洞和一个恒星组成的X射线 双星系统中。尽管在其他星系的极亮X射线双星 系统中发现了存在质量可能是20—30 倍太阳质量 的黑洞[16]，但是由于观测数据的限制和这些系统 的复杂性，尚不能完全排除其他的可能性。因此 产生GW150914 引力波事件的两个大约30 倍太阳 质量的黑洞是目前已知的这种黑洞的最可靠样 本，而这种黑洞的形成和演化机制目前并不清 楚，说明引力波的确为我们打开了一扇研究黑洞 的新窗口。

LIGO 宣布探测到了两个黑洞并合产生的引 力波GW150914 是人类探索宇宙的第5 个里程 碑。根据作者的美学研究成果，判断GW150914 在审美的两个要素“没缺陷”和“不常见”方面 表现出色，是“完全没缺陷极端不常见”的科学 突破，因此毫无悬念地当选美猴王，也就是猴年最 美的科学成果。然后讨论并回答了以下几个问题：

(1)为什么爱因斯坦不相信黑洞存在？

答案：以前认为黑洞的中心有奇异性，但是 爱因斯坦认为自然界中不应该存在奇异性而导致 物理量发散。

(2)怎么知道这样的天体是黑洞？

答案：根据我们提出的黑洞存在的5 个判 据，目前天文学家观测到的一批质量在几倍到十 几倍之间的致密天体是黑洞。

(3)物质是如何掉到黑洞里面的？

答案：在外部观测者的坐标系中物质下落时 黑洞的视界膨胀，下落物质和膨胀的视界相遇进 入了黑洞。因此所有教科书和科普文章中宇航员 被“冻结”在黑洞视界外面的结论都是错误的。

(4)如何获得独立的证据证明这样的引力波事 件的确来自于黑洞的并合？

答案：我们的理论计算预言黑洞的并合不可 能产生引力波之外的电磁波辐射，但是如果两个 致密天体之一不是黑洞，就必然会产生电磁波辐 射。因此未来的电磁波辐射的观测，尤其是伽玛 射线暴的观测能够获得独立的证据证明这样的引 力波事件的确来自于黑洞的并合。

(5)探测这样的引力波事件对于我们理解黑洞 有什么进一步的作用？

答案：有可能探测到我们的理论计算预言的物 质在黑洞内部的分布；能够研究双恒星级黑洞的宇 宙中的分布；提供一个研究黑洞的全新的窗口。

2016 年下半年中国将要发射的硬X射线调制 望远镜卫星和天宫二号的伽玛射线暴探测器， 2021 年中法合作的伽玛暴多波段天文卫星将要发 射运行，这些仪器都具有很好的伽玛射线暴探测 能力，无论它们能否探测到来自未来LIGO 的引 力波事件的伽玛射线暴，都将对于我们深入理解 产生引力波事件的黑洞的性质及其形成和演化带 来新的进步。

参考文献

[1] Abbott B P et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). Phys. Rev. Lett.，2016，116：061102

[2] Liu Y，Zhang S N. Phys. Lett. B，2009，679：88

[3] Oppenheimer J R，Volkoff G. Phys. Rev.，1939，54：374

[4] Oppenheimer J R，Snyder H. Phys. Rev.，1939，56：455

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English translation in Soviet Physics Uspekhi，1965，7：763

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