黑洞双星和引力波:以意想不到的方式揭开宇宙的秘密

当阿尔伯特·爱因斯坦在一百多年前预言引力波的存在时，没有人能预见到它可能带来的影响——但是，当他们从预测的理论转变为被证实的事实时，像哥伦比亚大学的佐尔坦·海曼教授这样的研究人员，正在设计利用它们以全新的方式来研究由碰撞的黑洞和早期宇宙组成的双星系统。

早在我们能够伸长脖子的时候，我们的文明就已经带着一种惊奇和敬畏的感觉仰望着星空。我们最早的祖先崇拜与激烈的迷信,天空最黑暗的夜晚安静的乡村,远离困扰我们的城镇和城市的光污染,很容易看出为什么:我们天上的美丽无与伦比的自然世界的其他地方。

没过多久，我们的祖先就开始把严谨的数学应用到天空中——事实上，天文学是最古老的自然科学，可以追溯到史前时代。太阳落山了，每个人都在那里:巴比伦人、古代中国人、希腊哲学家、埃及法老——每一个先进到足以记录他们所做的事情的文明:所有的人都站在无边的光之海洋的海岸上，在黑暗的天空下，用明亮而布满星星的眼睛，一丝不苟地研究着他们无法理解的天体力学;带着一种惊奇的感觉看着夜晚的光点在他们头顶上跳动。

今天，我们对宇宙的了解已经超越了前人最大胆的希望和梦想。我们知道，其中一些光点实际上是巨大的核聚变反应堆，称为恒星，就像我们的太阳;其中一些是如此遥远的星系，以至于我们的眼睛将它们——数十亿颗恒星的集合——缩小到一个点。我们知道恒星是如何诞生的——以及它们是如何消亡的——而且如果一颗恒星足够大，当那个时刻到来时，它将自身坍缩，形成一个奇点:一个密度如此之大的物体，连光都无法逃脱它的引力。我们称这些物体为黑洞。我们知道，几乎每个星系的中心都有一个超大质量的黑洞，星系经常相互碰撞(见左图)，形成更大的星系。然而，有一件事我们并不完全清楚，那就是当来自两个碰撞星系的黑洞相遇并形成双星系统时会发生什么。

将与星系的距离与它的明显衰退速度进行比较，就可以绘制出宇宙在宇宙时间内的膨胀率，回溯到[当前方法]无法触及的早期时期。

引力波的发现席卷了整个天文学
在我们历史的大部分时间里，天文学家都是通过牛顿物理学的透镜来观察恒星的。爱因斯坦的相对论改变了这一点:时间和空间不再是不同的实体，而是同一枚硬币的两面，在一个我们几乎无法理解的系统中相互联系(爱因斯坦做到了，这就是他如此出名的原因)。它用一个看似抽象的概念取代了艾萨克·牛顿提出的万有引力:空间和时间是万物存在的媒介。像行星这样的重物会扭曲这种介质，改变它的形状，这就是我们所经历的一种将我们拉向地球的力量(重力)。时空是一个很难理解的概念，但爱因斯坦理论的美妙之处在于，它如此全面地解释了宇宙的许多方面，以至于无法忽视。这一点与数学理论相结合:一百多年来，科学家们一直试图证明他是错的，但都以失败告终。

爱因斯坦的理论中有一个有趣的预言，引力波的存在——时空本身结构中的涟漪。直到最近，人们一直在预测它们，但自2016年以来，科学家们已经能够测量它们，随着我们的技术进步，他们将能够进一步利用引力波来研究两个星系碰撞时会发生什么。

我们知道黑洞双星系统发挥着基础性的作用在塑造星系碰撞他们属于——这可能是已知的宇宙中最充满活力的现象,但就像引力波,黑洞双星系统的直接证据迄今为止缺乏。这是因为两个黑洞靠得太近，用目前的望远镜无法区分(见上图)。这种情况可能即将改变。

丽莎
2034年，欧洲航天局(ESA)计划发射LISA，一种激光干涉仪空间天线，它将能够探测由两个黑洞碰撞产生的引力波(见图片背面)。这将为天文学家提供一套闪亮的新工具来探索我们宇宙的最远范围。在此之前，佐尔坦·海曼教授等研究人员将继续使用理论计算和高级计算模拟来研究这种双黑洞系统。

双黑洞系统的天文指纹
在最近的一篇论文中，今年早些时候发布，海班教授预测了当两个黑洞碰撞时，因为他们的主机星系合并了。当黑洞彼此接近时，它们开始围绕一个公共质量中心 - 一个在空间中的某个点，类似于跷跷板上的枢轴点，在任一端旋转的质量围绕着肿块。它们起初慢慢地移动，如果其轨道内的能量保持相同，系统可以永远持续这样，黑洞陷入了永无止境的舞蹈。但能量从引力波的形式从轨道中吸入。它们导致轨道尺寸缩小，黑洞向内螺旋，碰撞以形成一个黑洞。

这个过程需要很长时间才能完成，并且在合并的最后几年中，引力波变得极强。目前，LISA能够检测到它们。不幸的是，丽莎将无法检测到探戈的星系。The gravitational waves will be released as periodic undulations, following the binary’s orbital motion — what Professor Haiman calls gravitational wave pulsars – and, in the last few months of the merger, the system will be rotating at extremely high speeds (about 10% of the speed of light, or around 30 thousand kilometres per second). Professor Haiman’s research suggests that as a result, the binary should release similar periodic pulsations every few minutes or so. Professor Haiman, with his graduate student Daniel D’Orazio and colleague Professor David Schiminovich at Columbia University, has earlier suggested that the sinusoidal pulsations seen in optical and ultraviolet bands of a known bright distant quasar is due to the same phenomenon: for a pair of more widely separated, and less rapidly moving black holes, these lower-energy pulsations would be expected and appear consistent with the observed data [Ref 2].

由于这两种现象都是由相同的轨道运动引起的，所以它们应该同时发生，这有助于天文学家确定合并的位置。海曼教授解释说:“这种伴随着引力波的‘x射线啁啾’可以让天文学家唯一地识别出合并黑洞对的宿主星系——因为只有一个星系有这样的x射线脉冲，与引力波相匹配。”换句话说，黑洞双星系统应该有自己独特的天文指纹，可以追踪到天空中一个定位良好的点。强x射线脉冲的存在，与LISA探测到的引力波，在详细的流体动力学模拟中也可以看到，计算环绕双星的等离子体对黑洞“推进器”运动的响应，由Haiman教授和他的合作者Andrew MacFadyen教授和纽约大学的研究生Yike Tang(参考文献3)。

预计这种大规模的黑洞二进制文件将在雕刻主机星系中发挥基本作用，他们的最终合并将是宇宙中最能充沛的现象。

从时间开始访问信息
利用这种新方法，天文学家将能够解开大量关于黑洞双星系统的新信息，进而解开我们整个宇宙的新信息。确定少数这样的黑洞双星系统的确切位置将使天文学家将黑洞与它们的宿主星系联系起来。他们也将能够绘制宇宙加速回到时间的最初。海曼教授解释说:“将与星系的距离与它的明显衰退速度进行比较，就可以绘制出宇宙在宇宙时间内的膨胀率，回溯到早期的时代，这是无法用类似的、获得诺贝尔奖的研究超新星的方法实现的。”它还将允许天文学家测试x射线和引力波是否以爱因斯坦理论预测的相同速度传播，如果不是，那么也许海曼教授提出的方法将最终证明爱因斯坦的相对论不是全部。

一百多年前，阿尔伯特·爱因斯坦改变了我们对宇宙的看法，几乎作为他理论的副产品，他预言了引力波的存在。直到最近几年，天文学家才开始证明他是正确的——2016年，通过对引力波的实验验证。这个证据为天文学家提供了一个新的视角，通过它来观察我们不断膨胀的宇宙，并解开我们祖先只能梦想的谜团。虽然天文学是最古老的自然科学，但它也是最有可能有新发现的一门科学。现在情况更是如此——海曼教授的研究以及其他人的类似工作表明，通过将引力波与传统望远镜获得的数据结合起来，可以实现意想不到的新突破。由于海曼教授等研究人员的技术和理论的进步，似乎每天都有新的发现或公告。尽管如此，在天文学中有一件事是不变的:我们仍然带着一种惊奇和敬畏的感觉仰望天空。