引力波与黑洞那些不得不说的事情

      当曾经遥不可及的白日梦近得触手可及的时候，你会发出怎样的感慨呢？

      6月1日凌晨，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory， 激光干涉仪引力波天文台）又一次正式宣布探测到了引力波信号。与前两次大张旗鼓的新闻发布会相比，这次的发布会直接简化为电话会议。这或许是个好兆头，因为这意味着探测到的引力波信号将越来越多，越来越家常便饭。而与前两次的引力波相似，这次的引力波信号也是来自于黑洞的合并。

       最新宣布的“GW170104”信号，是在1月4日观测得到的。这两个黑洞中，较大的一个质量在太阳质量的25到40倍之间；而较小的则在13到25倍太阳质量之间。在发表在PRL上的论文里，LIGO研究团队声称，此次产生的黑洞质量约为50倍太阳质量，而另一部分质量被引力辐射带走。这次合并大约发生在30亿光年之外。

       此次发现的重要意义为：恒星质量级别的黑洞可能比许多天文学家所预期的要大得多。在此之前，科学家们通过X射线双星系统来估计黑洞的质量，其结果估计不超过20倍的太阳质量。但是，这几次引力波的探测结果让我们相信，超过20倍太阳质量的黑洞的存在并非无稽之谈。

       接下来我们将陆续推送一系列文章介绍黑洞、引力波等有趣的概念。本文的下面一部分将介绍引力波在黑洞物理研究中的应用，并且介绍了两种在实验室模拟黑洞的方法。

       为了方便新读者理解文章，我们先简单介绍一下引力波的概念。引力波并非一个新的名词，它是广义相对论的一个推论。可以把时空想象成一个橡胶膜，而黑洞等天体就是其上的小球。黑洞这种密度非常大的“球”，会使得其周围的时空发生严重的弯曲。而如果有两个星体发生碰撞现象，那么此时时空就会发生剧烈的形变，就好比是时空的涟漪。

       而与电磁波所不同的是，引力波是时空本身的一种搅动。因此，引力波所携带的信息与电磁波并非完全相同。引力波可以最直观地告诉我们该天体的运动状态与其整体信息，例如中子星的坍缩、黑洞的合并与旋转等。

       若想理解引力波需要三步，第一步写出爱因斯坦场方程；第二步在平直时空加个微扰，并做线性化；第三步解方程，读出引力传播速率为光速。这一过程需要广义相对论基础知识，因此接下来的文章里我们尽量避免公式的出现。

       引力波的信号可能是有节奏的或者不规则的，抑或是稳定的。因此，如果能将引力波信号翻译成天图，我们或许就能描述整个宇宙中许多未知的事情。

       双黑洞系统的合并是最有可能产生引力波的天文现象之一。两个黑洞因为辐射引力而消耗能量，最终无可避免地融为一体，随着彼此逐渐靠近，其绕行速度也逐渐变快，留给我们花瓣般美丽的引力波信号。一般而言，黑洞的质量可以从其耦合时间的长短来测定，黑洞质量越大，其相互之间吸引力就越强，合并的也越快。

       研究黑洞目的，除了探索这种最神秘的天体之外，它们也是检验我们所建立的引力理论的最完美的天然实验室。到目前为止，所有被探测到的引力波事件都是对爱因斯坦的广义相对论又一有利佐证。而目前关于广义相对论的检验都是基于史瓦西解的，史瓦西解恰好对应着最常见的黑洞。

       黑洞是广义相对论预言的天体。美国物理学家惠勒曾用“无毛定理”来描述处于平衡态的孤立黑洞——只需质量、角动量和电荷三个参数即可描述。在真实的宇宙中几乎无法找到孤立的黑洞，因此很难只依靠这三个参数来描述真实的黑洞，这样，研究黑洞的微扰理论就显得尤为关键。黑洞对外界干扰的响应可分为三个阶段：初始阶段、拟正则模阶段和晚期拖尾阶段。其中，拟正则模是黑洞受到外界扰动之后出现的一类不断振荡衰减的特征信号，由黑洞本身的特征，而非微扰的方式所决定，因此可用来鉴别黑洞，被称作黑洞的指纹。而这方面的研究显然并非易事，因此，引力波探测将在这一领域起到极大的作用。另外，如何在实验室模拟黑洞成了新的研究课题。

       实验室模拟黑洞的重要意义在于研究黑洞的稳定性与微扰理论，这是近些年的研究热点之一。拟正则模堪称黑洞的“指纹”，是确定黑洞特征参数的重要研究对象。黑洞的拟正则模的研究历史可追溯到上世纪70年代。印度科学家韦沙瓦在研究史瓦西黑洞的引力散射的时候，首次引入了这一概念。不久，普莱斯第一次提出了拟正则模这一名词。拟正则模中包含微扰衰减的信息，这样就可计算微扰态退还回衰减态的时间。近些年来，随着威腾等人对AdS-CFT理论的研究逐渐深入，黑洞的拟正则模研究再次引起了科学家们的重视。目前，黑洞的指纹档案已经被建立。随着引力波探测技术的逐渐发展，黑洞的拟正则模的观测与研究将更进一步！

       黑洞可以看做是时空中的“瀑布”，因此可在实验室中建立“哑洞”来模拟黑洞。假设有一片足够大的平坦水池，其深度足够浅。如果在某处开一个排水孔，那么距离排水孔越近的水的流速就越快。如果在距离排水孔r处，水速恰好为声速，那么这个距离就类似黑洞物理中的引力半径，而这个排水孔也就可看做一个声学黑洞，即哑洞。如果能够限定物体运动速度都不超过声速，那么就可在实验室中模拟出黑洞。而这样的声学黑洞也会在受到微扰时候产生与上文所述类似的拟正则模，但是与遥远的黑洞相比，实验室中的声学黑洞更易观测并收集数据。但是显然声学黑洞和真实的黑洞并不完全一样，因为超音速会使得介质产生非线性运动，这在真空下是不可能的。

       另一方面，台湾大学陈丕燊教授、巴黎综合理工大学的杰拉德·穆如教授等人利用纳米技术和激光技术，设计了一个模拟黑洞的方法。其方法是，设计一个密度递增的薄膜作为靶子，将能量较高的激光打入其中，会产生等离子体反射镜。随着薄膜密度逐渐增加，等离子体就会产生像黑洞一样的运动。当激光击穿薄膜后，等离子体反射镜也会停止，这就类似黑洞的蒸发。即第一种气态均匀的等离子体靶用于制备高强度X射线脉冲。由于第二等离子体靶中的等离子体密度梯度增加，X射线脉冲将产生加速的等离子体镜。当镜子突然停止时，它将释放能量脉冲或零点真空涨落。

加速相对论性等离子体反射镜的世界线及其与视界周围的真空涨落的关系。

       随着引力波的成功探测，引力波天文学的黎明即将到来。凭借这个利器，我们能够“听”到之前所看不到的天文现象。这相当于我们探测宇宙从过去的“默片时代”进入了“有声电影时代”。笔者在此大胆猜测，下一个十年将是黑洞物理研究的白金年代。

       目前，除了美国的LIGO之外，日本的KAGRA、澳大利亚的PPTA、欧洲的VIRGO以及我国的SKT和FAST等望远镜都已经整装待发，想必引力波天文学在不久的将来会对天体物理和引力理论的研究带来显著的影响，例如研究宇宙中小黑洞或者中子星合并的频率、验证描述双星系统的形成天体物理模型，乃至验证无毛定理等。另一方面，观测来自黑洞的引力波也会告诉我们关于引力的本质。而射电天文望远镜的联合观测即EHT也将在不久的将来为引力理论研究者们带来无上欢愉！

       另外，前文提到的实验室中模拟黑洞的方法也将对黑洞的研究做出巨大的贡献，因为这意味着对黑洞的研究不只是停留于理论层次。

       在天文学家和物理学家的共同努力之下，想必黑色新娘的神秘面纱将逐渐被掀开。黑洞的引力是否真的像广义相对论所预言的那样，由霍金辐射引发的黑洞战争究竟胜负几何？霍金-安鲁效应能否被探测到？白洞是否存在？虫洞如何产生？人类或许只是刚刚开始解答这些问题。