【博科园-科学科普】2015年9月14日清晨LIGO奇迹般地成为一个巨大的科学发现者。这是有史以来第一次观测到“引力波”，一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦预测的时空结构的微小波纹。这个信号来自于两个黑洞合并超过10亿光年，并在那天早上到达我们的星球。
【博科园-科学科普】2015年9月14日清晨LIGO奇迹般地成为一个巨大的科学发现者。这是有史以来第一次观测到“引力波”，一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦预测的时空结构的微小波纹。这个信号来自于两个黑洞合并超过10亿光年，并在那天早上到达我们的星球。
LIGO 图片：Kanijoman/Flickr, CC BY-SA
这一发现开创了一个全新的天文学时代，接着又有两种检测结果(可能是第三种)，所有这些都来自于对黑洞的合并。这些测量已经开始帮助科学家解开宇宙中最保守的秘密。新研究发表在《自然》杂志上(“用引力波区分自旋和各向同性黑洞的数量”)，显示出我们是多么接近于计算出黑洞如何形成。
由LIGO研究的黑洞——每一个都在太阳质量的10到30倍之间以光速的一半的速度运动时发生碰撞，同时也会扭曲空间和时间。两个黑洞的合并比可见宇宙中所有恒星的结合释放出的能量更大。
然而当时空扭曲，以光速飞行超过10亿年，到达地球时涟漪确实非常微弱——它的伸展和挤压空间不到1个部分。这意味着在LIGO探测器中制造的镜子的尺寸小于原子核的千分之一。难怪引力波如此难以探测。
黑洞是大质量恒星的无限密集残余。研究它们为天体物理学家提供了一窥这些恒星的生命。第一个引力波检测的关键问题之一是：这些重黑洞是如何接近合并的？
揭开黑洞形成过程的历史是很重要的——它可以帮助我们了解在稠密的恒星环境中，巨大的恒星和相互作用的神秘老化，到目前为止已经提出了两种不同的场景。
第一个观点认为两个大质量恒星是天生一对。它们之间的相互作用可能是在月球升起海洋潮汐的方式上，在彼此的表面上起作用。或者他们可能交换了气体，其中一颗恒星将物质吹向太空，另一颗星则捕获了其中的一部分。
最终每颗恒星都坍塌成一个黑洞。如果黑洞足够接近那么它们以引力波的形式从轨道上逐渐失去能量将导致两个黑洞螺旋上升并最终合并。这种情况被称为孤立的双黑洞系统演化。
另一个选择是两个黑洞是独立形成的，但在一个环境中有很多恒星紧密地聚集在一起。在这个被称为动力形成的场景中，一个与其他恒星的引力相互作用的序列可以使两个黑洞相互环绕。
由两个黑洞合并而产生的引力波的数值模拟，包括自旋(绿箭头)。图片：NASA/wikipedia
我们还不知道哪种情景是正确的，但大自然提供了一个令人兴奋的暗示，黑洞绕着自己的轴旋转。从一些观测中知道，在我们的星系和它的邻近星系中围绕黑洞运行的恒星，有时黑洞似乎正在快速旋转。如果LIGO看到的黑洞是由已经相互环绕的恒星形成的，那么这些自旋应该与轨道保持一致。但是如果由其他几颗恒星的引力影响形成的黑洞，旋转将是随机的相对于轨道，这意味着在一个稠密的环境中独立形成。
在一篇新的论文中来自英国伯明翰大学和美国马里兰大学和芝加哥大学的科学家团队分析了LIGO探测到的合并黑洞的旋转和轨道的排列。结果表明测量的引力波相位受到黑洞旋转的影响。因此这种自旋的某些成分——即有效的自旋——在数据中是固定的。
如果这个有效的旋转是大而积极的，黑洞就会快速旋转和旋转与轨道相同的方向。如果它是大的和负的，黑洞就会在轨道上快速反向旋转。如果它接近于零，那么要么黑洞的自旋与轨道发生了明显的偏离，要么两个黑洞都在缓慢地旋转。
到目前为止关于合并黑洞的LIGO观察发现，有效的自旋与零一致，只有一个观察。因此得出的结论是：如果黑洞快速旋转，数据就会指向缺乏对准——而黑洞并非来自成对的恒星。这确实很有可能是黑洞可以快速旋转——我们星系的观测结果表明事实是这样的。
只有10个额外的探测就有可能确定黑洞对的来源。然而合并黑洞有可能对我们在银河系中观察到的黑洞有着不同的进化史，而且是缓慢旋转的。如果是这样就需要更多的观察。不管怎样这项研究表明了引力波的发现有多么重要——打开了一个全新的宇宙之窗。
参考：Nanowerk News
作者：伊利亚·曼德尔（理论天体物理学教授）
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