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認識黑洞的一塊重要拼圖

相較于此前兩次熱鬧的引力波事件，這次發現有什么重大意義嗎？對科學家們來說，意義不小。

如果你還記得的話，之前的兩次黑洞合并，最后形成的黑洞的質量分別62（第一次）和21（第二次）個太陽質量。在LIGO探測到黑洞之前，單純從理論的角度計算，宇宙中很難產生高于20個太陽質量的黑洞。

即便是從觀測角度看，我們在電磁波段看到的最大質量黑洞也只有15個太陽質量，所以人們通常認為，更高質量黑洞在宇宙中是不存在的。

然而，LIGO給了我們一個驚喜！

更大質量的黑洞的的確確存在于我們的宇宙之中。在這次探測中，人類又發現了49個太陽質量的黑洞，進一步確認了更高質量黑洞的存在，擴大了我們對于黑洞的認知。

圖4：引力波探測到的黑洞（藍色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。圖中綠色的是新探測的黑洞系統GW170104。引力波探測到的黑洞（藍色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質量都是比較大的。新探測的黑洞系統GW170104用綠色標出。

此外，借助此次引力波事件，科學家們也對黑洞的自轉做出了限制。

在天文學中，我們通常使用一個介于0-1之間的數值，來表示黑洞轉動的快慢。數值0意味著沒有任何轉動，1對應著黑洞視界面上的轉動速度為光速。

限于數據質量的精度（誤差較大），科學家們目前僅對合并后的黑洞轉動快慢做出了限制，數值約為0.64，即黑洞視界面的轉動速度約為光速的一半。

盡管對于合并之前黑洞的轉動未做出很好的限制，但通過模型比對，我們至少可以知道，兩個黑洞都存在著所謂“進動現象”（precession），也就是說，黑洞自身轉動方向和兩個黑洞繞轉的軌道平面并不完全一致，存在著一定夾角。

我們最為熟悉的“進動現象”，莫過于小時候玩過的陀螺——陀螺飛旋，除了自身的轉動之外，還會圍繞一個大圈進行繞轉，這種自傳物的自轉軸又繞著另一軸旋轉的現象，便是進動了。

而且，這一大事件還幫助科學家對雙黑洞系統的形成機制做出了限制。

目前有兩種不同的理論，用以解釋雙黑洞的形成：其一是原生雙星系統，即兩個大質量恒星誕生之初就在一起，之后一同演化到老，最終形成雙黑洞系統；根據觀測估計的話，銀河系中有一半恒星處于雙星系統當中，所以這種形成機制還是很有可能的。

另外一種形成機制是雙黑洞形成于星團當中，最初的系統本來是一個黑洞和一個正常恒星，當該系統碰到另一黑洞時就會形成三體系統，恒星質量通常比黑洞小很多，所以恒星會被大質量的黑洞替換掉踢出系統，從而由原來的單黑洞系統變為雙黑洞系統。因為星團中心通常比較致密，這種可能性也很大，無論是從理論還是數值模擬，都已證明了這一現象的發生。

那么，到底哪一種雙黑洞系統的產生機制更靠譜呢？

按理論預計，原生雙星系統誕生于同一片星云，兩個黑洞的有效旋轉方向和軌道運動方向通常是一致的。對于第二種交換方式而言，兩個黑洞的旋轉方向無需一致，可以指向任何方向，從而導致兩黑洞整體的有效旋轉方向和軌道運動方向不一定一致。

此次引力波觀測擬合結果由此投出了重要一票：兩黑洞的有效旋轉方向和系統軌道運動方向不一致，傾向于第二種形成機制，是通過交換方式產生了雙黑洞系統。

一條引力波研究的漫漫長路

驚喜不少，遺憾也還是有的。

因為實在太過遙遠，我們看不到黑洞合并所在的星團，甚至連引力波所在的星系都沒看到。主要原因在于目前引力波的定位還是很差，畢竟幾百平方度的范圍之內包含著多達幾十萬個星系。

今年秋天，歐洲的Virgo探測器將一起加入觀測，我們到時就有了三個探測器，觀測的空間精度將會大大提高。

當然，最理想的情況是引力波源能有對應的電磁波輻射，我們就能夠同時進行多信使（比如，X射線或者光學）的觀測，從而精確確定其發生的空間位置。

LIGO每次探測到引力波事件，都會及時將相關信息發送給合作伙伴，到目前為止，還沒有觀測到任何電磁對應體。黑洞系統在合并之前已不存在什么氣體，所以不會產生任何電磁輻射，三次探測結果也向我們證明了這一點。

但我們還有機會。

并非所有人類能夠探測到的引力波都來自沒有任何其它輻射的黑洞合并。雙中子星合并、中子星與黑洞合并，以及超新星爆發等等，都會在產生引力波的同時產生電磁輻射。只不過受限于靈敏度，我們還沒觀測到而已。

可以確定的是，接下來隨著探測能力的提高和更多引力波望遠鏡的建立，我們肯定會看到來自其它天體的引力波以及他們的對應體。

眼下，美國和歐洲的引力波天文臺正主導著引力波的觀測工作，隨著LIGO探測的推進，中國的引力波研究也隨之進入了一股前所未有的熱潮。

在理論研究的同時，中國也在積極推動直接探測引力波的望遠鏡項目。

目前，太極計劃和天琴計劃這兩個空間項目正各自推進，將于地面探測原初引力波的阿里計劃已通過立項，并開始建設。

除此之外，中國還準備利用剛剛建好的500米射電望遠鏡（FAST）和正在建設的平方公里陣（SKA），以脈沖星計時陣的方式探測引力波。

引力波探測之路漫漫其修遠兮。在昨晚的發布會上，有聽眾向科學家提出了這樣的問題：你期待10年之后LIGO或引力波天文學能做出什么新發現呢？大衛·舒梅克回答道：“我期望著能有完全意想不到的、完全超出我們的想象事件的發生。”

宇宙就是這么奇妙，引力波已經向我們證明了這一點，還將繼續證明給我們看。