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| 本文作者： 知社學術圈 | 2016-02-19 18:56 | 專題：引力波：宇宙中的“時空漣漪” |
【編者按】作者陳雁北，加州理工學院物理學教授，美國物理學會會士，LIGO科學聯盟核心成員，引力波論文作者之一。
最近，引力波的成功探測，就像雙黑洞的碰撞一樣，一石激起千層浪。
大家興奮之余，肯定還聽到一些質疑和懷疑的聲音。其中有理論物理學博士鮑德海先生發的帖子，提出了一系列的問題。鮑博士提出的疑問，想必是很多讀者都會有的。
這里我做一些答復。由于時間倉促，對每一項都是開了個頭沒有很詳細的回答，就算是拋磚引玉吧。
我覺得這么說是不全面的。雙黑洞，是天文學家搜尋已久的天體，讓大家望眼欲穿！
黑洞已經是現代天體物理中“習以為常”的物體。
通過大量的恒星演化的模型和觀測數據的研究，天體物理學家基本上已經達成共識：大質量的恒星在核反應結束后，會塌縮成黑洞；比較大質量的恒星，會塌縮成中子星；而小質量的恒星會演化到白矮星，但是并不會產生塌縮的過程。這里，中子星是一個泛指。物理學家不是完全清楚核物質在這么高的壓強下到底會以什么形式存在。有些物理學家認為應該是“夸克星”等等。也有人對黑洞的存在有一些質疑。但是，公認的是，大質量的恒星會演化成非常致密的一個星體。那么下面我們就討論中子星和黑洞這兩種星體。
中子星（或者夸克星）的觀測證據主要來源于脈沖星：這些星體會以特別穩定的頻率發出電磁脈沖。天體物理學家認為，這些脈沖是由于強磁場把中子星周圍的等離子體中的電荷加速而導致的。
中子星可以以單個中子星和雙中子星存在。雙中子星在70年代被發現，并且已經成為精確檢驗相對論的重要依據。雙中子星的軌道頻率可以受引力輻射的影響，見引力波文章的［20，21，22］。這個發現被授予1993年的諾貝爾物理學獎。天體物理學家通過雙中子星在附近宇宙中的分布，可以大概推算出LIGO觀測范圍中雙中子星并合引力波信號的發生幾率。目前的Advanced LIGO的靈敏度正處在可能發現雙中子星的邊緣。
恒星質量的黑洞，也就是大質量恒星演化行程的黑洞，也是有觀測證據的。這來源于X-射線雙星的研究。X-射線雙星中，從伴星飛往主星的氣體在途中互相擠壓、摩擦，放出大量的熱，導致了X-射線的輻射。從雙星發出的X-射線的性質，可以用來大概推斷它的組成。在一些這樣的雙星中，天文學家判斷， 應該有一個很致密、質量很大的星體，很有可能是黑洞。當然，這樣對黑洞的觀測不太直接，沒法很清晰的判斷黑洞附近的時空幾何結構。
所以，雙中子星、以及發射引力波的雙中子星都是存在的。雙星中的黑洞，也是基本上認為是存在的。那么，如果我們拍一下腦袋，是不是可以認為，發射引力波的雙黑洞也應該是存在的呢？
天體物理學家認為雙黑洞是應該存在的 ，并且有間接觀測證據，和建模的支持。
二十年來，拍腦袋之余，天體物理學家根據對雙星演化的數學建模，他們發現了一些高質量雙星可以最終變成雙黑洞的“演化路徑”。但是由于數學模型中有很多不確定的參數，他們由此估計出來的單位時間、單位體積中的雙黑洞并合率，是非常粗略的。
由于事件發生的概率大體和觀測的體積成正比（大概適用于幾十億光年以內的事件），LIGO的靈敏度越高，能夠探測的距離就越遠，于是能夠探測到雙黑洞的成功率就越高！這次雙黑洞的事件的發生，以及第一代LIGO沒有探測到引力波這個事實，都是在預期的粗略估計的范圍之內的，見［111-114］。
2010年，天文學家發現了一對質量超大的雙星 。這個雙星被認為可以是雙黑洞的“前世”。也就是說，這么大的一對恒星，它們燒盡燃料以后，有可能會形成雙黑洞的系統。這是雙黑洞存在的一個挺重要的間接證據。
這就說明，引力波是雙黑洞并合唯一的有效觀測方式。理論上說，雙黑洞的碰撞可能完全沒有別的觀測方式。
當然，后續也有科學家討論，是不是雙黑洞的并合在一定情況下也伴有電磁波的發射呢？比如，如果黑洞附近有磁場、氣體，其實雙黑洞的并合時可以引發伽馬射線爆的！再比如，如果黑洞本身其實不是黑洞，而是和黑洞時空結構很類似的由某種新奇物質構成的星體，那么也可能讓引力波在誤差范圍內符合相對論的推斷，但是允許伽馬射線的發生！
在引力波公布不久，就有一片文章，號稱在GW150914附近發現了伽馬射線的信號。當然，人們對這個伽馬射線的發現還有一些懷疑。這就讓人們發生了無窮的聯想！！
對，關鍵就在重復性。天體物理觀測是需要有強有力的統計根據的。 前面我們說道，物理學家的模型是，單位體積單位時間，雙黑洞有一個發生率。從數學上說，是一個“泊松過程”。在一定的觀測能力和時間下，產生一個、兩個、三個。。。事件的概率，都是有聯系的。
在我們公布的LIGO數據中，除了GW150914這個很強的事件以外，還有有一個另外的信噪比（統計置信度）相對比較低的疑似事件。對它的統計分析現還在進一步的進行中。但是初步看來，一個高置信度的事件，加上一個低置信度的事件，這樣的分布是符合上面的統計模型的。
第一次觀測（2015年9月到2016年1月）的數據還沒有完全分析完成，里面也可能有其他的雙黑洞事件。
那么，根據后續的數據，怎么可以判斷這次的雙黑洞真假呢？還是用統計的方法。
第一，如果后面在同樣的靈敏度觀測，而觀測不到雙黑洞，那么看不到的時間越長，這次的雙黑洞是烏龍的概率就越高了。事實上，通過這次的GW150914，和下一次測量的時間長度，就可以具體的估計出下次探測中探測到雙黑洞的概率。
第二，如果看到呢？那我們還需要考慮后續信號的強度分布（比如強弱信號的分布應該大體對應在附近宇宙中的一個均勻的分布）、跟相對論信號的吻合度等等因素。在伽馬射線爆發現的早期，人們也迷惑過，不知道為什么有這樣強的信號。但是后來根據信號的分布，就判斷出它是銀河系外的波源。引力波天文學，也會依著類似的發展。
所以，這是一個長期系統的過程，是引力波天文學的一個重要目的！除了對這次的檢驗進行討論之外，我們還可以拭目以待！
事實上，在GW150914中，LIGO的兩個探測器都分別觀測到了置信度很高的波形。
這是一個科學實驗中常見的問題：當你看到一個所謂的”事件“，怎么知道它不是一個巧合呢？
答案就是，你沒法嚴格證明他不是巧合。就好比，你在想領取你太爺爺遺留的存款的時候，沒法向銀行證明他沒有小三和私生子一樣。
但是，在科學實驗中，往往可以估計出一個信號屬于巧合的幾率是多大。在LIGO中，采取了一個“時間平移”的方法［見引力波文章圖4］。在分析數據的時候，我們采集兩個探測器在不同時段的數據，看看這兩段本不應同時有引力波的數據，同時產生這類似這兩個波形出現的概率。得到的概率是10^-7以下。
當然！我們當然考慮了引力波在標準宇宙學模型下，在宇宙空間中的傳播問題 。根據標準模型，我們這個波長的引力波（1萬公里以下）受密度不均勻導致的影響在我們現在這個誤差范圍內完全可以忽略不計。如果探討一下，那么第一大的影響就是宇宙的密度不均勻性，會造成引力波傳播的“光線”并不是直線，從而導致引力波絕對振幅的一個修正。這就是所謂的弱引力透鏡效果。我們今天對引力波振幅的估算誤差，遠遠大于弱透鏡導致的效果。
當然，上面提到了單位時間單位體積的黑洞并合率，就說明兩對黑洞同時并合的概率是不為零的。但是，根據目前的靈敏度，在我們現在可以清晰觀測的距離內，兩個足夠強的事件同時發生的概率是很小的。
這就有另外一個問題，如果考慮到特別遠處的黑洞，那邊有很多很多啊？雖然他們的信號到達地球的時候已經很弱了，但是會不會弱弱的加在一起就會足夠強的“背景”呢？
事實上，把這個論斷用在發光的星體上，就是宇宙學中注明的“奧伯斯陽謬”。也就是說，宇宙中越遠的星星，雖然越暗，但是越多，結果根據均勻宇宙計算出的星星總光強，也就是“背景”，是無窮大。
這個陽謬可以用宇宙膨脹來解釋。同樣，雙黑洞的引力波背景也可以這樣解釋。早在十幾年前，就有科學家對這個問題做過討論，并論證了雙黑洞引力波背景的大小跟單位體積內的并合率的關系。結論就是，引力波源和星星一樣。最強的源可以被單一的看到，但是也會有一個由眾多遠處的源導致的背景。我們的文章中也提到了這個問題，見［115］。
我認為迷信權威是錯誤的，懷疑是科學進步的源泉。鮑博士提出這些疑問，是對引力波物理學家的關心和愛護。期待更多的讀者對引力波的發現提出質疑！也歡迎大家閱讀我們PRL之外的另外11篇文章，那里面詳細的講解了這次引力波探測相關的各個方面。
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