关于双黑洞和引力波，LIGO科学家回答了这7个你可能会关心的问题

【编者按】作者陈雁北，加州理工学院物理学教授，美国物理学会会士，LIGO科学联盟核心成员，引力波论文作者之一。

最近，引力波的成功探测，就像双黑洞的碰撞一样，一石激起千层浪。

大家兴奋之余，肯定还听到一些质疑和怀疑的声音。其中有理论物理学博士鲍德海先生发的帖子，提出了一系列的问题。鲍博士提出的疑问，想必是很多读者都会有的。

这里我做一些答复。由于时间仓促，对每一项都是开了个头没有很详细的回答，就算是抛砖引玉吧。

我觉得这么说是不全面的。双黑洞，是天文学家搜寻已久的天体，让大家望眼欲穿！

黑洞已经是现代天体物理中“习以为常”的物体。

通过大量的恒星演化的模型和观测数据的研究，天体物理学家基本上已经达成共识：大质量的恒星在核反应结束后，会塌缩成黑洞；比较大质量的恒星，会塌缩成中子星；而小质量的恒星会演化到白矮星，但是并不会产生塌缩的过程。这里，中子星是一个泛指。物理学家不是完全清楚核物质在这么高的压强下到底会以什么形式存在。有些物理学家认为应该是“夸克星”等等。也有人对黑洞的存在有一些质疑。但是，公认的是，大质量的恒星会演化成非常致密的一个星体。那么下面我们就讨论中子星和黑洞这两种星体。

中子星（或者夸克星）的观测证据主要来源于脉冲星：这些星体会以特别稳定的频率发出电磁脉冲。天体物理学家认为，这些脉冲是由于强磁场把中子星周围的等离子体中的电荷加速而导致的。

中子星可以以单个中子星和双中子星存在。双中子星在70年代被发现，并且已经成为精确检验相对论的重要依据。双中子星的轨道频率可以受引力辐射的影响，见引力波文章的［20，21，22］。这个发现被授予1993年的诺贝尔物理学奖。天体物理学家通过双中子星在附近宇宙中的分布，可以大概推算出LIGO观测范围中双中子星并合引力波信号的发生几率。目前的Advanced LIGO的灵敏度正处在可能发现双中子星的边缘。

恒星质量的黑洞，也就是大质量恒星演化行程的黑洞，也是有观测证据的。这来源于X-射线双星的研究。X-射线双星中，从伴星飞往主星的气体在途中互相挤压、摩擦，放出大量的热，导致了X-射线的辐射。从双星发出的X-射线的性质，可以用来大概推断它的组成。在一些这样的双星中，天文学家判断， 应该有一个很致密、质量很大的星体，很有可能是黑洞。当然，这样对黑洞的观测不太直接，没法很清晰的判断黑洞附近的时空几何结构。

所以，双中子星、以及发射引力波的双中子星都是存在的。双星中的黑洞，也是基本上认为是存在的。那么，如果我们拍一下脑袋，是不是可以认为，发射引力波的双黑洞也应该是存在的呢？

天体物理学家认为双黑洞是应该存在的 ，并且有间接观测证据，和建模的支持。

二十年来，拍脑袋之余，天体物理学家根据对双星演化的数学建模，他们发现了一些高质量双星可以最终变成双黑洞的“演化路径”。但是由于数学模型中有很多不确定的参数，他们由此估计出来的单位时间、单位体积中的双黑洞并合率，是非常粗略的。

由于事件发生的概率大体和观测的体积成正比（大概适用于几十亿光年以内的事件），LIGO的灵敏度越高，能够探测的距离就越远，于是能够探测到双黑洞的成功率就越高！这次双黑洞的事件的发生，以及第一代LIGO没有探测到引力波这个事实，都是在预期的粗略估计的范围之内的，见［111-114］。

2010年，天文学家发现了一对质量超大的双星 。这个双星被认为可以是双黑洞的“前世”。也就是说，这么大的一对恒星，它们烧尽燃料以后，有可能会形成双黑洞的系统。这是双黑洞存在的一个挺重要的间接证据。

这就说明，引力波是双黑洞并合唯一的有效观测方式。理论上说，双黑洞的碰撞可能完全没有别的观测方式。

当然，后续也有科学家讨论，是不是双黑洞的并合在一定情况下也伴有电磁波的发射呢？比如，如果黑洞附近有磁场、气体，其实双黑洞的并合时可以引发伽马射线爆的！再比如，如果黑洞本身其实不是黑洞，而是和黑洞时空结构很类似的由某种新奇物质构成的星体，那么也可能让引力波在误差范围内符合相对论的推断，但是允许伽马射线的发生！

在引力波公布不久，就有一片文章，号称在GW150914附近发现了伽马射线的信号。当然，人们对这个伽马射线的发现还有一些怀疑。这就让人们发生了无穷的联想！！

对，关键就在重复性。天体物理观测是需要有强有力的统计根据的。 前面我们说道，物理学家的模型是，单位体积单位时间，双黑洞有一个发生率。从数学上说，是一个“泊松过程”。在一定的观测能力和时间下，产生一个、两个、三个。。。事件的概率，都是有联系的。

在我们公布的LIGO数据中，除了GW150914这个很强的事件以外，还有有一个另外的信噪比（统计置信度）相对比较低的疑似事件。对它的统计分析现还在进一步的进行中。但是初步看来，一个高置信度的事件，加上一个低置信度的事件，这样的分布是符合上面的统计模型的。

第一次观测（2015年9月到2016年1月）的数据还没有完全分析完成，里面也可能有其他的双黑洞事件。

那么，根据后续的数据，怎么可以判断这次的双黑洞真假呢？还是用统计的方法。

第一，如果后面在同样的灵敏度观测，而观测不到双黑洞，那么看不到的时间越长，这次的双黑洞是乌龙的概率就越高了。事实上，通过这次的GW150914，和下一次测量的时间长度，就可以具体的估计出下次探测中探测到双黑洞的概率。

第二，如果看到呢？那我们还需要考虑后续信号的强度分布（比如强弱信号的分布应该大体对应在附近宇宙中的一个均匀的分布）、跟相对论信号的吻合度等等因素。在伽马射线爆发现的早期，人们也迷惑过，不知道为什么有这样强的信号。但是后来根据信号的分布，就判断出它是银河系外的波源。引力波天文学，也会依着类似的发展。

所以，这是一个长期系统的过程，是引力波天文学的一个重要目的！除了对这次的检验进行讨论之外，我们还可以拭目以待！

事实上，在GW150914中，LIGO的两个探测器都分别观测到了置信度很高的波形。 

这是一个科学实验中常见的问题：当你看到一个所谓的”事件“，怎么知道它不是一个巧合呢？

答案就是，你没法严格证明他不是巧合。就好比，你在想领取你太爷爷遗留的存款的时候，没法向银行证明他没有小三和私生子一样。

（编辑：应用网_镇江站长网）

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