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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2016-02-19 18:56 | 專(zhuān)題：引力波：宇宙中的“時(shí)空漣漪” |
【編者按】作者陳雁北，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授，美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)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(cè)，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(tīng)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(wèn)題。鮑博士提出的疑問(wèn)，想必是很多讀者都會(huì)有的。
這里我做一些答復(fù)。由于時(shí)間倉(cāng)促，對(duì)每一項(xiàng)都是開(kāi)了個(gè)頭沒(méi)有很詳細(xì)的回答，就算是拋磚引玉吧。
我覺(jué)得這么說(shuō)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)以為常”的物體。
通過(guò)大量的恒星演化的模型和觀測(cè)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(shí)：大質(zhì)量的恒星在核反應(yīng)結(jié)束后，會(huì)塌縮成黑洞；比較大質(zhì)量的恒星，會(huì)塌縮成中子星；而小質(zhì)量的恒星會(huì)演化到白矮星，但是并不會(huì)產(chǎn)生塌縮的過(guò)程。這里，中子星是一個(gè)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(huì)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(duì)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(huì)演化成非常致密的一個(gè)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(cè)證據(jù)主要來(lái)源于脈沖星：這些星體會(huì)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(chǎng)把中子星周?chē)牡入x子體中的電荷加速而導(dǎo)致的。
中子星可以以單個(gè)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(duì)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(jiàn)引力波文章的［20，21，22］。這個(gè)發(fā)現(xiàn)被授予1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。天體物理學(xué)家通過(guò)雙中子星在附近宇宙中的分布，可以大概推算出LIGO觀測(cè)范圍中雙中子星并合引力波信號(hào)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(cè)證據(jù)的。這來(lái)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(lái)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(gè)很致密、質(zhì)量很大的星體，很有可能是黑洞。當(dāng)然，這樣對(duì)黑洞的觀測(cè)不太直接，沒(méi)法很清晰的判斷黑洞附近的時(shí)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(cè)證據(jù)，和建模的支持。
二十年來(lái)，拍腦袋之余，天體物理學(xué)家根據(jù)對(duì)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(jì)出來(lái)的單位時(shí)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(cè)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(cè)的距離就越遠(yuǎn)，于是能夠探測(cè)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(méi)有探測(cè)到引力波這個(gè)事實(shí)，都是在預(yù)期的粗略估計(jì)的范圍之內(nèi)的，見(jiàn)［111-114］。
2010年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一對(duì)質(zhì)量超大的雙星 。這個(gè)雙星被認(rèn)為可以是雙黑洞的“前世”。也就是說(shuō)，這么大的一對(duì)恒星，它們燒盡燃料以后，有可能會(huì)形成雙黑洞的系統(tǒng)。這是雙黑洞存在的一個(gè)挺重要的間接證據(jù)。
這就說(shuō)明，引力波是雙黑洞并合唯一的有效觀測(cè)方式。理論上說(shuō)，雙黑洞的碰撞可能完全沒(méi)有別的觀測(cè)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(chǎng)、氣體，其實(shí)雙黑洞的并合時(shí)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(shí)空結(jié)構(gòu)很類(lèi)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(duì)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(hào)稱在GW150914附近發(fā)現(xiàn)了伽馬射線的信號(hào)。當(dāng)然，人們對(duì)這個(gè)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(wú)窮的聯(lián)想！！
對(duì)，關(guān)鍵就在重復(fù)性。天體物理觀測(cè)是需要有強(qiáng)有力的統(tǒng)計(jì)根據(jù)的。 前面我們說(shuō)道，物理學(xué)家的模型是，單位體積單位時(shí)間，雙黑洞有一個(gè)發(fā)生率。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，是一個(gè)“泊松過(guò)程”。在一定的觀測(cè)能力和時(shí)間下，產(chǎn)生一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)。。。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(gè)很強(qiáng)的事件以外，還有有一個(gè)另外的信噪比（統(tǒng)計(jì)置信度）相對(duì)比較低的疑似事件。對(duì)它的統(tǒng)計(jì)分析現(xiàn)還在進(jìn)一步的進(jìn)行中。但是初步看來(lái)，一個(gè)高置信度的事件，加上一個(gè)低置信度的事件，這樣的分布是符合上面的統(tǒng)計(jì)模型的。
第一次觀測(cè)（2015年9月到2016年1月）的數(shù)據(jù)還沒(méi)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(jì)的方法。
第一，如果后面在同樣的靈敏度觀測(cè)，而觀測(cè)不到雙黑洞，那么看不到的時(shí)間越長(zhǎng)，這次的雙黑洞是烏龍的概率就越高了。事實(shí)上，通過(guò)這次的GW150914，和下一次測(cè)量的時(shí)間長(zhǎng)度，就可以具體的估計(jì)出下次探測(cè)中探測(cè)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(hào)的強(qiáng)度分布（比如強(qiáng)弱信號(hào)的分布應(yīng)該大體對(duì)應(yīng)在附近宇宙中的一個(gè)均勻的分布）、跟相對(duì)論信號(hào)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(guò)，不知道為什么有這樣強(qiáng)的信號(hào)。但是后來(lái)根據(jù)信號(hào)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(huì)依著類(lèi)似的發(fā)展。
所以，這是一個(gè)長(zhǎng)期系統(tǒng)的過(guò)程，是引力波天文學(xué)的一個(gè)重要目的！除了對(duì)這次的檢驗(yàn)進(jìn)行討論之外，我們還可以拭目以待！
事實(shí)上，在GW150914中，LIGO的兩個(gè)探測(cè)器都分別觀測(cè)到了置信度很高的波形。
這是一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的問(wèn)題：當(dāng)你看到一個(gè)所謂的”事件“，怎么知道它不是一個(gè)巧合呢？
答案就是，你沒(méi)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(shí)候，沒(méi)法向銀行證明他沒(méi)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(jì)出一個(gè)信號(hào)屬于巧合的幾率是多大。在LIGO中，采取了一個(gè)“時(shí)間平移”的方法［見(jiàn)引力波文章圖4］。在分析數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們采集兩個(gè)探測(cè)器在不同時(shí)段的數(shù)據(jù)，看看這兩段本不應(yīng)同時(shí)有引力波的數(shù)據(jù)，同時(shí)產(chǎn)生這類(lèi)似這兩個(gè)波形出現(xiàn)的概率。得到的概率是10^-7以下。
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(wèn)題 。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，我們這個(gè)波長(zhǎng)的引力波（1萬(wàn)公里以下）受密度不均勻?qū)е碌挠绊懺谖覀儸F(xiàn)在這個(gè)誤差范圍內(nèi)完全可以忽略不計(jì)。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(huì)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(duì)振幅的一個(gè)修正。這就是所謂的弱引力透鏡效果。我們今天對(duì)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。
當(dāng)然，上面提到了單位時(shí)間單位體積的黑洞并合率，就說(shuō)明兩對(duì)黑洞同時(shí)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(cè)的距離內(nèi)，兩個(gè)足夠強(qiáng)的事件同時(shí)發(fā)生的概率是很小的。
這就有另外一個(gè)問(wèn)題，如果考慮到特別遠(yuǎn)處的黑洞，那邊有很多很多??？雖然他們的信號(hào)到達(dá)地球的時(shí)候已經(jīng)很弱了，但是會(huì)不會(huì)弱弱的加在一起就會(huì)足夠強(qiáng)的“背景”呢？
事實(shí)上，把這個(gè)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(yáng)謬”。也就是說(shuō)，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(jì)算出的星星總光強(qiáng)，也就是“背景”，是無(wú)窮大。
這個(gè)陽(yáng)謬可以用宇宙膨脹來(lái)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(duì)這個(gè)問(wèn)題做過(guò)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(huì)有一個(gè)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(gè)問(wèn)題，見(jiàn)［115］。
我認(rèn)為迷信權(quán)威是錯(cuò)誤的，懷疑是科學(xué)進(jìn)步的源泉。鮑博士提出這些疑問(wèn)，是對(duì)引力波物理學(xué)家的關(guān)心和愛(ài)護(hù)。期待更多的讀者對(duì)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(cè)相關(guān)的各個(gè)方面。
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