【編者按】作者陳雁北，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授，美國物理學(xué)會會士，LIGO科學(xué)聯(lián)盟核心成員，引力波論文作者之一。

最近，引力波的成功探測，就像雙黑洞的碰撞一樣，一石激起千層浪。

大家興奮之余，肯定還聽到一些質(zhì)疑和懷疑的聲音。其中有理論物理學(xué)博士鮑德海先生發(fā)的帖子，提出了一系列的問題。鮑博士提出的疑問，想必是很多讀者都會有的。

這里我做一些答復(fù)。由于時間倉促，對每一項(xiàng)都是開了個頭沒有很詳細(xì)的回答，就算是拋磚引玉吧。

問題1：按您的說法，那兩個黑洞沒有其他觀測證據(jù)支持？

我覺得這么說是不全面的。雙黑洞，是天文學(xué)家搜尋已久的天體，讓大家望眼欲穿！

黑洞已經(jīng)是現(xiàn)代天體物理中“習(xí)以為?！钡奈矬w。

通過大量的恒星演化的模型和觀測數(shù)據(jù)的研究，天體物理學(xué)家基本上已經(jīng)達(dá)成共識：大質(zhì)量的恒星在核反應(yīng)結(jié)束后，會塌縮成黑洞；比較大質(zhì)量的恒星，會塌縮成中子星；而小質(zhì)量的恒星會演化到白矮星，但是并不會產(chǎn)生塌縮的過程。這里，中子星是一個泛指。物理學(xué)家不是完全清楚核物質(zhì)在這么高的壓強(qiáng)下到底會以什么形式存在。有些物理學(xué)家認(rèn)為應(yīng)該是“夸克星”等等。也有人對黑洞的存在有一些質(zhì)疑。但是，公認(rèn)的是，大質(zhì)量的恒星會演化成非常致密的一個星體。那么下面我們就討論中子星和黑洞這兩種星體。

中子星（或者夸克星）的觀測證據(jù)主要來源于脈沖星：這些星體會以特別穩(wěn)定的頻率發(fā)出電磁脈沖。天體物理學(xué)家認(rèn)為，這些脈沖是由于強(qiáng)磁場把中子星周圍的等離子體中的電荷加速而導(dǎo)致的。

中子星可以以單個中子星和雙中子星存在。雙中子星在70年代被發(fā)現(xiàn)，并且已經(jīng)成為精確檢驗(yàn)相對論的重要依據(jù)。雙中子星的軌道頻率可以受引力輻射的影響，見引力波文章的［20，21，22］。這個發(fā)現(xiàn)被授予1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。天體物理學(xué)家通過雙中子星在附近宇宙中的分布，可以大概推算出LIGO觀測范圍中雙中子星并合引力波信號的發(fā)生幾率。目前的Advanced LIGO的靈敏度正處在可能發(fā)現(xiàn)雙中子星的邊緣。

恒星質(zhì)量的黑洞，也就是大質(zhì)量恒星演化行程的黑洞，也是有觀測證據(jù)的。這來源于X-射線雙星的研究。X-射線雙星中，從伴星飛往主星的氣體在途中互相擠壓、摩擦，放出大量的熱，導(dǎo)致了X-射線的輻射。從雙星發(fā)出的X-射線的性質(zhì)，可以用來大概推斷它的組成。在一些這樣的雙星中，天文學(xué)家判斷， 應(yīng)該有一個很致密、質(zhì)量很大的星體，很有可能是黑洞。當(dāng)然，這樣對黑洞的觀測不太直接，沒法很清晰的判斷黑洞附近的時空幾何結(jié)構(gòu)。

所以，雙中子星、以及發(fā)射引力波的雙中子星都是存在的。雙星中的黑洞，也是基本上認(rèn)為是存在的。那么，如果我們拍一下腦袋，是不是可以認(rèn)為，發(fā)射引力波的雙黑洞也應(yīng)該是存在的呢？

天體物理學(xué)家認(rèn)為雙黑洞是應(yīng)該存在的 ，并且有間接觀測證據(jù)，和建模的支持。

二十年來，拍腦袋之余，天體物理學(xué)家根據(jù)對雙星演化的數(shù)學(xué)建模，他們發(fā)現(xiàn)了一些高質(zhì)量雙星可以最終變成雙黑洞的“演化路徑”。但是由于數(shù)學(xué)模型中有很多不確定的參數(shù)，他們由此估計出來的單位時間、單位體積中的雙黑洞并合率，是非常粗略的。

由于事件發(fā)生的概率大體和觀測的體積成正比（大概適用于幾十億光年以內(nèi)的事件），LIGO的靈敏度越高，能夠探測的距離就越遠(yuǎn)，于是能夠探測到雙黑洞的成功率就越高！這次雙黑洞的事件的發(fā)生，以及第一代LIGO沒有探測到引力波這個事實(shí)，都是在預(yù)期的粗略估計的范圍之內(nèi)的，見［111-114］。

 2010年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一對質(zhì)量超大的雙星 。這個雙星被認(rèn)為可以是雙黑洞的“前世”。也就是說，這么大的一對恒星，它們燒盡燃料以后，有可能會形成雙黑洞的系統(tǒng)。這是雙黑洞存在的一個挺重要的間接證據(jù)。

問題2：雙黑洞沒人見過？

這就說明，引力波是雙黑洞并合唯一的有效觀測方式。理論上說，雙黑洞的碰撞可能完全沒有別的觀測方式。

當(dāng)然，后續(xù)也有科學(xué)家討論，是不是雙黑洞的并合在一定情況下也伴有電磁波的發(fā)射呢？比如，如果黑洞附近有磁場、氣體，其實(shí)雙黑洞的并合時可以引發(fā)伽馬射線爆的！再比如，如果黑洞本身其實(shí)不是黑洞，而是和黑洞時空結(jié)構(gòu)很類似的由某種新奇物質(zhì)構(gòu)成的星體，那么也可能讓引力波在誤差范圍內(nèi)符合相對論的推斷，但是允許伽馬射線的發(fā)生！

在引力波公布不久，就有一片文章，號稱在GW150914附近發(fā)現(xiàn)了伽馬射線的信號。當(dāng)然，人們對這個伽馬射線的發(fā)現(xiàn)還有一些懷疑。這就讓人們發(fā)生了無窮的聯(lián)想！！

問題3：如果實(shí)驗(yàn)?zāi)苤貜?fù)，那么就可以信了吧？

對，關(guān)鍵就在重復(fù)性。天體物理觀測是需要有強(qiáng)有力的統(tǒng)計根據(jù)的。 前面我們說道，物理學(xué)家的模型是，單位體積單位時間，雙黑洞有一個發(fā)生率。從數(shù)學(xué)上說，是一個“泊松過程”。在一定的觀測能力和時間下，產(chǎn)生一個、兩個、三個。。。事件的概率，都是有聯(lián)系的。

在我們公布的LIGO數(shù)據(jù)中，除了GW150914這個很強(qiáng)的事件以外，還有有一個另外的信噪比（統(tǒng)計置信度）相對比較低的疑似事件。對它的統(tǒng)計分析現(xiàn)還在進(jìn)一步的進(jìn)行中。但是初步看來，一個高置信度的事件，加上一個低置信度的事件，這樣的分布是符合上面的統(tǒng)計模型的。

第一次觀測（2015年9月到2016年1月）的數(shù)據(jù)還沒有完全分析完成，里面也可能有其他的雙黑洞事件。

那么，根據(jù)后續(xù)的數(shù)據(jù)，怎么可以判斷這次的雙黑洞真假呢？還是用統(tǒng)計的方法。

第一，如果后面在同樣的靈敏度觀測，而觀測不到雙黑洞，那么看不到的時間越長，這次的雙黑洞是烏龍的概率就越高了。事實(shí)上，通過這次的GW150914，和下一次測量的時間長度，就可以具體的估計出下次探測中探測到雙黑洞的概率。

第二，如果看到呢？那我們還需要考慮后續(xù)信號的強(qiáng)度分布（比如強(qiáng)弱信號的分布應(yīng)該大體對應(yīng)在附近宇宙中的一個均勻的分布）、跟相對論信號的吻合度等等因素。在伽馬射線爆發(fā)現(xiàn)的早期，人們也迷惑過，不知道為什么有這樣強(qiáng)的信號。但是后來根據(jù)信號的分布，就判斷出它是銀河系外的波源。引力波天文學(xué)，也會依著類似的發(fā)展。

所以，這是一個長期系統(tǒng)的過程，是引力波天文學(xué)的一個重要目的！除了對這次的檢驗(yàn)進(jìn)行討論之外，我們還可以拭目以待！

問題4：難道不是準(zhǔn)備好多個探測器一起干嗎？

事實(shí)上，在GW150914中，LIGO的兩個探測器都分別觀測到了置信度很高的波形。 

這是一個科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的問題：當(dāng)你看到一個所謂的”事件“，怎么知道它不是一個巧合呢？

答案就是，你沒法嚴(yán)格證明他不是巧合。就好比，你在想領(lǐng)取你太爺爺遺留的存款的時候，沒法向銀行證明他沒有小三和私生子一樣。

但是，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，往往可以估計出一個信號屬于巧合的幾率是多大。在LIGO中，采取了一個“時間平移”的方法［見引力波文章圖4］。在分析數(shù)據(jù)的時候，我們采集兩個探測器在不同時段的數(shù)據(jù)，看看這兩段本不應(yīng)同時有引力波的數(shù)據(jù)，同時產(chǎn)生這類似這兩個波形出現(xiàn)的概率。得到的概率是10^-7以下。

問題5：本次項(xiàng)目，是否考慮了暗物質(zhì)和暗能量？

當(dāng)然！我們當(dāng)然考慮了引力波在標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型下，在宇宙空間中的傳播問題 。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，我們這個波長的引力波（1萬公里以下）受密度不均勻?qū)е碌挠绊懺谖覀儸F(xiàn)在這個誤差范圍內(nèi)完全可以忽略不計。如果探討一下，那么第一大的影響就是宇宙的密度不均勻性，會造成引力波傳播的“光線”并不是直線，從而導(dǎo)致引力波絕對振幅的一個修正。這就是所謂的弱引力透鏡效果。我們今天對引力波振幅的估算誤差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于弱透鏡導(dǎo)致的效果。 

問題6：黑洞是不是不止一對？

當(dāng)然，上面提到了單位時間單位體積的黑洞并合率，就說明兩對黑洞同時并合的概率是不為零的。但是，根據(jù)目前的靈敏度，在我們現(xiàn)在可以清晰觀測的距離內(nèi)，兩個足夠強(qiáng)的事件同時發(fā)生的概率是很小的。

這就有另外一個問題，如果考慮到特別遠(yuǎn)處的黑洞，那邊有很多很多?。侩m然他們的信號到達(dá)地球的時候已經(jīng)很弱了，但是會不會弱弱的加在一起就會足夠強(qiáng)的“背景”呢？

事實(shí)上，把這個論斷用在發(fā)光的星體上，就是宇宙學(xué)中注明的“奧伯斯陽謬”。也就是說，宇宙中越遠(yuǎn)的星星，雖然越暗，但是越多，結(jié)果根據(jù)均勻宇宙計算出的星星總光強(qiáng)，也就是“背景”，是無窮大。

這個陽謬可以用宇宙膨脹來解釋。同樣，雙黑洞的引力波背景也可以這樣解釋。早在十幾年前，就有科學(xué)家對這個問題做過討論，并論證了雙黑洞引力波背景的大小跟單位體積內(nèi)的并合率的關(guān)系。結(jié)論就是，引力波源和星星一樣。最強(qiáng)的源可以被單一的看到，但是也會有一個由眾多遠(yuǎn)處的源導(dǎo)致的背景。我們的文章中也提到了這個問題，見［115］。

問題7：提出問題未嘗不可，但是現(xiàn)在懷疑其真實(shí)性為時尚早，證據(jù)不足。

我認(rèn)為迷信權(quán)威是錯誤的，懷疑是科學(xué)進(jìn)步的源泉。鮑博士提出這些疑問，是對引力波物理學(xué)家的關(guān)心和愛護(hù)。期待更多的讀者對引力波的發(fā)現(xiàn)提出質(zhì)疑！也歡迎大家閱讀我們PRL之外的另外11篇文章，那里面詳細(xì)的講解了這次引力波探測相關(guān)的各個方面。

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