從波的頻率演化看,，在低頻的部分開始,。

碰撞的三個(gè)階段

第一階段。兩個(gè)黑洞的引力波頻率從30Hz開始,。這在引力波天文學(xué)中是比較低的頻段,，但是這就意味著黑洞是15Hz軌道頻率。再具體點(diǎn)就是,，這兩個(gè)黑洞分別為36和30太陽質(zhì)量,，每個(gè)半徑大約是一百公里左右，距離是一千公里,，每秒鐘互相轉(zhuǎn)15圈,。

第二階段。到兩個(gè)黑洞快并合的時(shí)候,，引力波頻率達(dá)到100Hz,，軌道頻率50Hz，就是每秒鐘轉(zhuǎn)50圈,。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)黑洞已經(jīng)快形成一體了,，它們每個(gè)人“中心”之間的距離大概是兩百公里左右。

第三階段,。然后,，這個(gè)合并成一體的扭曲的黑洞繼續(xù)震蕩,，逐漸變成一個(gè)新的、旋轉(zhuǎn)的黑洞（科爾黑洞）,。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是63個(gè)太陽質(zhì)量,，它的半徑大約是160公里。在這個(gè)震蕩的過程中,，這個(gè)黑洞主要示發(fā)射頻率在240Hz左右的引力波,，說明它在以120Hz左右旋轉(zhuǎn)，也就是每秒鐘120圈,。這個(gè)過程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周圍繞轉(zhuǎn),，并且逐漸逃逸到遠(yuǎn)處。

為什么最終的質(zhì)量小于兩個(gè)并合黑洞之和呢,？我們不是說過引力波攜帶能量嗎,？有一部分的質(zhì)量以引力波的形式被釋放了。這些引力波攜帶的能量等于3個(gè)太陽質(zhì)量,，相當(dāng)于百分之五的“質(zhì)量”轉(zhuǎn)化成了“能量。順便說一句,，號(hào)稱宇宙中最亮的天體伽馬射線暴一般釋放幾千分之一太陽質(zhì)量所相當(dāng)?shù)哪芰?。這次引力波功率峰值達(dá)到整個(gè)可見宇宙發(fā)光功率的50倍。

黑洞離地球的距離,，是從引力波的絕對(duì)振幅所推斷的,。根據(jù)這個(gè)推斷，我們得知碰撞過程發(fā)生在14億光年以外,。對(duì)應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)中的“紅移”,，這個(gè)事件所在的紅移是0.09。在這個(gè)事件發(fā)生的時(shí)候,，咱們的宇宙的“尺寸”是現(xiàn)在的91%,。

意義

上面的三個(gè)過程，讓我們第一次“親眼看到”了黑洞的存在,。由于引力波可以看成是直接推動(dòng)了鏡子的機(jī)械振動(dòng),，我們也可以說是親耳聽到了黑洞的存在！

為什么我們知道是兩個(gè)黑洞變成一個(gè)黑洞呢,？下面我們給一個(gè)粗略的解釋,。單個(gè)物體的質(zhì)量，可以從是通過波形的振幅和頻率隨時(shí)間演化所測(cè)定的,。而上面第一,、二個(gè)階段的轉(zhuǎn)換，可以讓我們推測(cè)出每個(gè)物體的尺寸,，從而斷定它們都是黑洞,。第三個(gè)階段,，波形的頻率和衰減率可以讓我們推斷出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的幾何結(jié)構(gòu)。

LIGO科學(xué)家還從這個(gè)引力波的波形,， 對(duì)相對(duì)論的預(yù)言做了一定的檢驗(yàn),，并且在統(tǒng)計(jì)誤差范圍之內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)和相對(duì)論的區(qū)別。粗略的說,，就是在波形的不同時(shí)間,、不同頻段，和相對(duì)論預(yù)言的吻合程度相對(duì)一致,，沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的差別,。

其中一個(gè)比較有特色的檢驗(yàn)就是關(guān)于引力波的傳播速度的檢驗(yàn)。沒有其他方法比較,，怎么能說明引力波是以光速傳播呢,？簡(jiǎn)單的答案就是，對(duì)于這個(gè)事件,，由于沒有其他方法比較,，只能間接的對(duì)引力波的傳播做一個(gè)檢驗(yàn)。由于在不同頻段波形和廣義相對(duì)論的預(yù)言吻合,，我們可以推斷,，引力波在不同頻率上的傳播速度一致。不同頻率上傳播速度一致的波,，根據(jù)“狹義相對(duì)論協(xié)變性”的要求,，一般來說應(yīng)該是以光速傳播的,。于是,，從這個(gè)意義上講，這次也算是部分,、間接的驗(yàn)證了引力波以光速傳播這個(gè)性質(zhì),。

引力波天文學(xué)

直接探測(cè)到雙黑洞的碰撞,，只是引力波天文學(xué)的開端。就算你猜中開頭,，也絕猜不到結(jié)尾,！因?yàn)闆]有結(jié)尾！

對(duì)于雙黑洞引力波的研究,，GW150914只是一個(gè)開端,。更多的雙黑洞事件，會(huì)讓我們更詳細(xì)的了解黑洞附近的時(shí)空幾何,，以及黑洞碰撞時(shí)候時(shí)空的幾何動(dòng)力學(xué)性質(zhì),。下一步使用LIGO，我們還期待著雙中子星,、黑洞中子星碰撞的發(fā)現(xiàn),。這些,，還會(huì)讓我們了解中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步的,，LIGO還希望可以探測(cè)到從單個(gè)中子星發(fā)出的連續(xù)引力波輻射,，甚至是背景引力波輻射。LIGO打開了一扇探索宇宙的新窗口,，更令人興奮的是一些未知源的引力波爆也可能被探測(cè)到,。

大部分引力波源發(fā)射引力波的時(shí)候也發(fā)射傳統(tǒng)天文學(xué)的“信使”：電磁波，中微子和宇宙線,。 結(jié)合傳統(tǒng)天文學(xué)的信使,，引力波－多信使對(duì)應(yīng)體－宿主星系這一體系的進(jìn)一步聯(lián)合觀測(cè)將不但有利于提高引力波的定位和參數(shù)估計(jì)精度，還能提供對(duì)于引力波多信使對(duì)應(yīng)體本質(zhì)的更多理解,。

在Advanced LIGO之后,，我們希望能提高地面引力波探測(cè)器的精度，從而探測(cè)到更多的雙黑洞,，雙中子星,，中子星－黑洞雙星等事件；這將提供關(guān)于詳細(xì)的黑洞形成和演化的更確切數(shù)據(jù),，更可以使我們直接推斷中子星狀態(tài)方程,，暗能量狀態(tài)方程等等物理學(xué)、天文學(xué),、宇宙學(xué)更為有趣的問題。增加更多的事件,、并且探測(cè)到更高信噪比的信號(hào),，也有利于精確的研究黑洞的性質(zhì)，與廣義相對(duì)論做更詳細(xì)的比對(duì),。

更進(jìn)一步,，我們要在空間建立引力波探測(cè)器。在空間,，物體之間的距離更長,，而且沒有地面上振動(dòng)的擾動(dòng)，讓我們可以觀察低頻率的引力波,，可以探索超大質(zhì)量黑洞繞轉(zhuǎn)和小黑洞圍繞大黑洞旋轉(zhuǎn)等有趣的現(xiàn)象,，從而了解星系形成的過程和進(jìn)一步了解黑洞周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)。

知社學(xué)術(shù)圈對(duì)陳,、范兩位老師獨(dú)家采訪

陳雁北,，加州理工學(xué)院物理學(xué)教授，美國物理學(xué)會(huì)會(huì)士,。2003年在Kip Thorne指導(dǎo)下從加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位,。2007年回加州理工任助理教授,，2013年升任正教授。

范錫龍,，湖北第二師范學(xué)院物理學(xué)副教授,，中國引力與相對(duì)論天體物理學(xué)會(huì)會(huì)員。2006年-2007年訪問德國馬普所引力物理研究所1年,，跟隨陳雁北,、溫琳清等人學(xué)習(xí)。2008年在朱宗宏教授指導(dǎo)下獲得北京師范大學(xué)碩士學(xué)位,。2012年獲得意大利里雅思特大學(xué)博士,。曾獲得英國皇家學(xué)會(huì)“ Newton International Fellowships ”和中國國家自然科學(xué)基金資助。

知社： 能不能介紹一下您在LIGO科學(xué)聯(lián)盟中的工作,，以及對(duì)引力波探測(cè)的貢獻(xiàn),？

陳雁北：我在1999年進(jìn)入Caltech的時(shí)候，本來沒有太多的目的性,。但是聽了Kip Thorne講課,，覺得他這個(gè)教授比較有意思：不但興趣廣泛，而且往往能把很復(fù)雜的問題用很簡(jiǎn)單的方法搞定,。我那時(shí)候覺得我自己數(shù)理基礎(chǔ)不是特別好,，不敢搞特別抽象的高能物理理論，手又笨搞不了實(shí)驗(yàn),，于是就決定追隨Kip Thorne,。

從1980年開始，Kip Thorne和他的學(xué)生Carlton Caves,，以及合作者,，莫斯科大學(xué)的Vladimir Braginsky和Farid Khalili在對(duì)LIGO靈敏度的研究中，涉及到了對(duì)單個(gè)量子物體連續(xù)測(cè)量的理論,，我剛?cè)雽W(xué)的時(shí)候?qū)@個(gè)問題特別感興趣,。

我一開始是和一個(gè)博士后，Alessandra Buonanno,，一起做一些量子光學(xué)的計(jì)算?，F(xiàn)在Alessandra是德國馬普引力物理研究所的Director之一，在這次引力波事件的分析中起到了決定性的領(lǐng)導(dǎo)作用,。后來這些就可以用來計(jì)算Advanced LIGO這個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)下光的量子漲落所導(dǎo)致的噪聲,。其實(shí)我們的公式到現(xiàn)在還沒有用上，因?yàn)锳dvanced LIGO還沒有用到足夠的激光光強(qiáng),。我后來就一直繼續(xù)對(duì)量子噪聲的計(jì)算,，和下一代LIGO的光學(xué)設(shè)計(jì)的研究。我在博士期間第二個(gè)工作,，也是和Alessandra以及另外兩個(gè)研究生Michele Vallisneri,、潘奕一起,，研究在第一代LIGO中怎么最優(yōu)的提取出雙黑洞的信號(hào)。在那個(gè)時(shí)候,，數(shù)值相對(duì)論的模擬還不成熟,，所以我們都是考慮怎么把微擾論的結(jié)果用在LIGO的數(shù)據(jù)分析上。

博士畢業(yè)以后,，我到德國的馬普引力物理研究所,，并且繼續(xù)參與LIGO的研究。我在Caltech做博士的最后幾年,，以及在德國的時(shí)候,，initial LIGO在提取數(shù)據(jù)，但是沒有探測(cè)到引力波,。但是由于那時(shí)候大家覺得LIGO也有可能發(fā)現(xiàn)引力波,，德國的洪堡基金會(huì)發(fā)給了我一個(gè)Sofja Kovalevskaya Award，讓我領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)科研小組,。那幾年我主要是研究宏觀物體的量子測(cè)量問題,，以及怎么樣用LIGO同時(shí)作為檢驗(yàn)量子力學(xué)的工具。我也同時(shí)和日本國家天文臺(tái)的川村教授合作了一些空間引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì),，還和馬普所的博士后溫琳清（現(xiàn)在在西澳大利亞大學(xué)）合作了多探測(cè)器引力波數(shù)據(jù)分析策略的研究,。我也同時(shí)做了一些空間引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)、以及引力波數(shù)據(jù)分析策略的研究,。我和那時(shí)候馬普的研究生P. Ajith,、博士后Martin Hewitson一起發(fā)明的Phenominological Template Bank，現(xiàn)在是LIGO雙黑洞數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)重要方法,。

回到Caltech以后,，我繼續(xù)做量子測(cè)量、LIGO光學(xué)設(shè)計(jì)的研究,，也和Caltech的Rana Adhikari教授合作，做了一些LIGO中光學(xué)器件熱噪聲的研究,。在廣義相對(duì)論方面,，我開始研究黑洞微擾論，并且開始研究黑洞合并時(shí)候幾何動(dòng)力學(xué)的一些特點(diǎn),。在數(shù)據(jù)分析方面,，我和西澳大學(xué)的溫琳清教授合作，發(fā)展了一個(gè)快速提取中子星并合波形的數(shù)據(jù)處理方案,。這個(gè)方案正由溫教授實(shí)施在LIGO中,。

知社：對(duì)探測(cè)如此微弱的引力波，剛開始的時(shí)候有沒有信心,，中間有沒有產(chǎn)生懷疑,，看到這個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候,，是什么樣的一種心情？

陳雁北：對(duì)于我個(gè)人來說,，LIGO給了我一個(gè)很好的機(jī)會(huì),，讓我可以研究各種各樣的物理問題。就算LIGO沒有探測(cè)到引力波,，其中也有很多有意思的問題可以研究,。比如量子光學(xué)，比如廣義相對(duì)論和黑洞物理,，比如數(shù)據(jù)分析的方法,，還有非平衡態(tài)熱力學(xué)的一些知識(shí)。在我科研生涯的前十幾年,，我覺得我嘗試了,、學(xué)會(huì)了很多東西。對(duì)于我來說,，雙黑洞探測(cè)的成功也許是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),，我以后可能要更集中精力研究和黑洞有關(guān)的問題。

范錫龍：第一次注意到這個(gè)事件的時(shí)候是在北京師范大學(xué),，那時(shí)候我和其他同事正籌劃召開一個(gè)引力波天文學(xué)研討會(huì),，再加上之前有過盲注，就沒在意,。2015年9月16日左右,，我和來自英國格拉斯哥大學(xué)LVC成員早餐時(shí)間在師大餐廳討論這個(gè)信號(hào)，我的觀點(diǎn)是如果是真的就太幸運(yùn)了,，我不相信,。有趣的是，因?yàn)楸Ｃ茉瓌t,，我們不能提及任何引力波的事情,。旁邊的人如果認(rèn)真偷聽，會(huì)聽到英文版的：“那個(gè)事（the event）是真的嗎,？”“可能嗎,？不會(huì)吧！”“那個(gè)事很太明顯,！”之類的談話,。我們談話期間，天文系朱宗宏老師走了過來,，他是非lvc成員的引力波專家,。那情形就是我們突然停住了談話，大家相互張望，異常有趣,。

我對(duì)于信號(hào)的懷疑程度的變化直到開了一次lvc電話會(huì)議,，盲注團(tuán)隊(duì)說沒有任何已知信號(hào)注入行為，然后儀器團(tuán)隊(duì)說數(shù)據(jù)很干凈,。我當(dāng)時(shí)有一絲絲相信我們可能真的做到了,。2016年1月22日凌晨1點(diǎn)36分，經(jīng)過了渾身顫抖的短暫等待,，我淚流滿面,，因?yàn)閘vc電話會(huì)議宣布：lvc集體投票決定第10版“探測(cè)文章”可以投稿。我知道,，我們做到了,。

直到現(xiàn)在，一想到這個(gè)發(fā)現(xiàn),，我還是心跳加速,。

知社：這樣的天文事件，幾率有多大,？ 調(diào)試運(yùn)行,，就測(cè)到如此強(qiáng)大信號(hào)，是不是很幸運(yùn),？ 以后會(huì)經(jīng)常性的探測(cè)到么,？

陳雁北：天文觀測(cè)不能完全碰運(yùn)氣。對(duì)于LIGO,，我們是根據(jù)天文學(xué)中一些知識(shí),，推斷出在一定靈敏度下，單位時(shí)間能夠探測(cè)到事件的概率,。雖然這個(gè)概率本身也有很大的不確定性,，但是LIGO在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也考慮到了這個(gè)問題,。所以,，從一定程度上說，Advanced LIGO能探測(cè)到這個(gè)事件也不是很意外的事情,。而initial LIGO什么都看不到,，也是意料之中的。既然我們已經(jīng)在這個(gè)靈敏度下探測(cè)到了一個(gè)事件,，這就意味著勢(shì)必會(huì)有更多的事件被探測(cè)到。

知社：LIGO探測(cè)到引力波,，對(duì)中國的天琴計(jì)劃,，有什么樣的影響？

陳雁北：中山大學(xué)的羅俊院士,，是中國引力物理界的領(lǐng)軍人物,。他對(duì)引力常數(shù)的測(cè)量,，引力定律的檢驗(yàn)的研究，都處于世界的前沿,。羅院士的團(tuán)隊(duì)最近提出的《天琴計(jì)劃》,，是在空間中測(cè)量引力波?？臻g中,，我們可以測(cè)量頻率更低的引力波。一方面,，可以從側(cè)面驗(yàn)證LIGO引力波源,、引力波傳播的性質(zhì)，另外一方面,，也可能探測(cè)到大質(zhì)量甚至超大質(zhì)量的黑洞,。我希望這次LIGO對(duì)引力波的探測(cè)，對(duì)天琴計(jì)劃是一個(gè)推動(dòng),。

知社：引力波速度與光速一致,，這里面有什么內(nèi)在聯(lián)系么，還是純屬巧合,？ 有沒有可能給大一統(tǒng)理論指引一個(gè)方向,？

陳雁北：這是一個(gè)很深刻的問題。在廣義相對(duì)論里面,，當(dāng)引力波和光波的波長遠(yuǎn)小于時(shí)空曲率半徑的時(shí)候,，它們的傳播都可以看成是沿著所謂的“類光測(cè)地線“傳播。所謂類光地線,，可以說是在時(shí)空幾何中,，想逃離一個(gè)點(diǎn)，最最快的一個(gè)路徑,。當(dāng)波長可以和時(shí)空曲率半徑相比的時(shí)候,，引力波和光波的傳播時(shí)不同的。這次探測(cè)到的引力波,，波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宇宙空間中的時(shí)空曲率半徑,，所以傳播速度應(yīng)該是和光一樣。引力波的存在,，以及引力波以光速傳播本身,，在理論物理中已經(jīng)是非常公認(rèn)的一個(gè)現(xiàn)象。所以探測(cè)到引力波本身,，應(yīng)該不能對(duì)大統(tǒng)一理論作出貢獻(xiàn),。

知社：最后替科幻迷問一個(gè)問題，能不能借助引力波，實(shí)現(xiàn)星際航行和時(shí)空穿越,？

陳雁北：前些年,，在德國的時(shí)候，我有一個(gè)來自日本的博士后,，叫做宗宮健太郎,。宗宮教授是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，現(xiàn)在是東京工業(yè)大學(xué)的副教授,，是日本引力波探測(cè)器KaGRA的重要參加者,。宗宮教授和我一樣，都是《機(jī)器貓》迷,。當(dāng)年在德國的時(shí)候,，我們經(jīng)常開車從波茨坦去漢諾威，路上就會(huì)聊天,。記得他跟我說過,，他當(dāng)年參與引力波的原因就是因?yàn)樗X得發(fā)現(xiàn)了引力波，發(fā)現(xiàn)黑洞,，就是造出機(jī)器貓里面的“時(shí)間機(jī)器”的第一步,。

也許宗宮教授當(dāng)年比較幼稚，但是,，我們不要忘記Joe Weber的“幼稚”導(dǎo)致了50年后今天對(duì)雙黑洞的發(fā)現(xiàn),。如果通過引力波觀測(cè)，我們探測(cè)到任何跟現(xiàn)在的廣義相對(duì)論推斷所不符的線索,，那么就有可能導(dǎo)致基礎(chǔ)理論的突破,。