24亿光年之外的新消息

约翰·霍普金斯大学天文学家埃马努埃莱·伯蒂

2015年9月14日是人类科学史上值得被铭记的一天。在这一天，位于美国华盛顿和路易斯安纳的两个激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到了来自宇宙深处长达0.2秒的引力波信号。这标志着广义相对论的又一次胜利，以及人类宇宙学研究开启了一个崭新的纪元。这次被登记为“GW150914”的宇宙学事件，记载的是在距离地球大约13亿光年的位置，两个质量大约相当于30个太阳质量的黑洞相互合并，释放出了扭曲时空的引力波信号。这些信号最终被地球探测到。

在此后几年里，LIGO和位于意大利比萨附近的Virgo探测器又多次探测到黑洞合并释放的引力波信号，这样的消息开始逐渐变得不再引人关注。一方面，引力波已经从科学假说成为了现实；另一方面，人类探测到的引力波类型大都一致。在2019年之前人类探测到的引力波信号中，除了有一次是来自两个相互合并的中子星，其余都是来自质量相仿黑洞的合并。两个黑洞首先会形成一个双黑洞系统，相互围绕运转，距离越来越近，最终合并成为一个黑洞，并且在合并的过程中释放出频率单一的引力波信号。

人类探测到的这些合并的双黑洞系统的黑洞质量也大多相仿，都在20至40个太阳质量之间。大同小异的引力波信号，难免会让科学家们感到厌倦。根据人们对宇宙的观测，宇宙中黑洞的形态和分布是多种多样的，那么有没有可能探测到不同寻常的引力波信号？

从2019年4月1日开始，科学家们利用LIGO和Virgo探测器进行第三次引力波探测。探测开始仅仅十多天后，一个不同寻常的信号就吸引了他们的注意。这个在4月12日被探测到的信号最初被记为“S190412m”，随后被登记为“GW190412”事件。地球上的三个引力波探测器都探测到了距离地球24亿光年之外，两个质量并不相符的黑洞在合并过程中所释放的引力波信号。也正是因为这种黑洞质量间的不平衡，它们放射出的引力波不同于以往只是单一频率，而是多频率的复杂信号。

这两个黑洞，一个质量大约相当于30个太阳质量，另一个则大约相当于8个太阳质量，差距非常明显。首次观测到这样的现象，不仅丰富了人类对于引力波信号的收藏，也有助于科学家们理解这些黑洞的形成过程，进而描绘出更加详细的宇宙膨胀过程。芝加哥大学的天文学研究生玛雅·菲什巴赫（Maya Fishbach）在2020年美国物理学会4月份的在线会议上报告了这个独特的宇宙学现象。

引力波最初来自于广义相对论的预测。根据广义相对论的计算，两个质量相似的黑洞相互围绕运转，最终合并所释放出的引力波信号为单一频率，其频率值为两者相互运转的频率的两倍；同样根据广义相对论的预测，如果是两个质量不等的黑洞合并，在其合并过程中就会产生多个频率的引力波信号。从这个角度来说，这次探测可以说是对广义相对论的又一次验证。从宇宙学的意义来说，首次探测到这样独特的引力波信号，可以帮助人们理解这些黑洞最初是如何形成，又何以在如此临近的位置形成了一个双黑洞系统。

目前，对于这样质量不等的双黑洞系统，科学家们给出了两种可能的模型：一种可能是这两个黑洞源于两颗原本就相互旋转的恒星，恒星在死亡之后发生塌缩形成黑洞，因而成为了一个双黑洞系统；另一种可能是这两个黑洞在宇宙中分别形成，而后逐渐在时空中相遇。当然，除了这种相对简单的模型之外，也存在着其他可能。比如约翰·霍普金斯大学的天文学家埃马努埃莱·伯蒂（Emanuele Berti）认为，这两个黑洞中相对较重的那个黑洞自旋速度较快，它有可能就是由两个相对较小的黑洞合并而成。

这个宇宙学的重要发现虽然还未在科学期刊上正式发表，但LIGO和Virgo研究团队的科学家们已经在网上发布了论文的预印本《GW190412：对于质量不对称的双黑洞聚结过程的观察》（GW190412：Observation of a Binary-Black-Hole Coalescence with Asymmetric Masses）。随着引力波探测器精度的不断提高，人类将探测到越来越多的引力波信号，发现越来越多奇异的宇宙学事件。此前在2015至2017年之间，两次探测总共探测到了10次引力波信号，而从2019年4月开始至2020年3月结束（其间在2019年10月中断了一个月）的这次探测，已经探测到了50次引力波信号，追踪这些信号的来源发现，除了黑洞合并之外，还包括“GW190425”事件——人类第二次观测到了中子星的合并。

因为都是建造在地球表面，受到其自身尺寸的限制，无论是LIGO还是Virgo探测器，都只能探测到某一类宇宙学事件所发射的引力波。想要突破这样的限制，把引力波探测作为人类感知宇宙的一个重要感官的灵敏度发挥到极致，就需要把引力波探测器的尺度发挥到极致。在未来，引力波探测的主战场可能会转移到宇宙空间。到21世纪30年代，目前还处于设计阶段的激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna）将由地球轨道上三个相距数百万公里的探测器构成。这样大尺度的引力波探测器将可能探测到一些极其剧烈的宇宙学事件，例如超巨型黑洞在合并过程中释放出的低频引力波。

人类真正利用科学方法探测宇宙只有不到一百年的时间，而进行引力波探测只有短短几年的时间。可以想象，随着时代的进步，人类会不断发现各种奇异的宇宙学现象，完善自己绘制的宇宙地图。人类也正是通过这样的进步来不断地理解自身。

（本文写作参考了《科学》和《自然》杂志的相关报道） 科学天文黑洞宇宙引力波广义相对论太空