從類星體到引力波
20世紀(jì)60年代，天文學(xué)中有四個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)：星際有機(jī)分子，微波背景輻射，脈沖星和類星體。這四個(gè)發(fā)現(xiàn)都是由研究射電天文方法探測(cè)到的無線電波而得到的結(jié)論。星際有機(jī)分子的發(fā)現(xiàn)有助于人類深入了解星云，也有可能由此揭開生命起源的奧秘。其余的三項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都與“引力”有關(guān)，也就是說，直接或間接地為100年之前愛因斯坦建立的廣義相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的證據(jù)。
半個(gè)世紀(jì)之前被兩個(gè)美國工程師所觀察證實(shí)的微波背景輻射，為基于廣義相對(duì)論來描述宇宙的誕生和演化過程的大爆炸模型提供了十分重要的依據(jù)。微波背景輻射使宇宙學(xué)成為了一門精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，對(duì)CMB輻射圖細(xì)節(jié)的分析和研究，至今方興未艾，詳情可見筆者的前幾篇博文。
脈沖星實(shí)際上是中子星，即核心由中子構(gòu)成。廣義相對(duì)論建立之后，天體物理學(xué)家們也用這個(gè)理論來研究恒星的演化過程，恒星的生命歷程是與其質(zhì)量大小緊密相關(guān)的，本質(zhì)上也就是與引力相關(guān)。諸如太陽大小的恒星，壽命大約為100億年，比如我們的太陽正值中年，或者說，大約再過50億年之后，太陽會(huì)爆發(fā)成紅巨星，然后冷卻，成為白矮星，最后黑矮星（？）。但質(zhì)量超過3倍太陽的恒星的命運(yùn)與太陽不一樣了，它們?cè)诒l(fā)成紅巨星和超新星之后，因?yàn)樗鼈冏陨韽?qiáng)大的引力，最后將“塌縮”成中子星或黑洞。
發(fā)現(xiàn)脈沖星，即中子星的過程頗富戲劇性，那是在1967年10月，一個(gè)似乎帶點(diǎn)偶然的事件。安東尼·休伊什（Antony Hewish，1924年－）是一位英國射電天文學(xué)家，他設(shè)計(jì)了一套接受無線電波的設(shè)備，讓他一位女研究生貝爾·伯奈爾日夜觀察。貝爾在收到的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)一些周期穩(wěn)定（1.337秒）的脈沖信號(hào)。這么有規(guī)律！難道是外星人發(fā)來的嗎？貝爾興致勃勃地向休伊什報(bào)告并繼續(xù)將收到的信號(hào)加以研究，兩人將這些信號(hào)稱為“小綠人”，意為來自外星人。但后來又發(fā)現(xiàn)這些脈沖沒有變化，不像攜帶著任何有用的信息。最后人們將這一類新天體稱為“脈沖星”，并且確認(rèn)它們就是30年前朗道預(yù)言的中子星，發(fā)出的脈沖是中子星快速旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。安東尼·休伊什也因此而榮獲1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但大多數(shù)人對(duì)貝爾未能獲獎(jiǎng)而憤憤不平。比如霍金在《時(shí)間簡史》一書中，就只說脈沖星是貝爾發(fā)現(xiàn)的。
中子星雖然密度極大，大到難以想象的程度，但它畢竟仍然是一個(gè)由我們了解甚多的“中子”組成的。中子是科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里能夠檢測(cè)得到的東西，是一種大家熟知的基本粒子，在普通物質(zhì)中也都存在。而黑洞是什么呢？就實(shí)在是難以捉摸了。黑洞從通俗的意義上理解就是任何東西進(jìn)去就出不來，光也是如此。從廣義相對(duì)論的角度而言，黑洞是空間的一個(gè)奇點(diǎn)。因此也可以說，恒星最后塌縮成了黑洞，才談得上是一個(gè)真正奇妙的“引力塌縮”。
剛才說到的60年代天文界“四大發(fā)現(xiàn)”的另一個(gè)是類星體的發(fā)現(xiàn)。為什么叫類星體呢？因?yàn)槿绻霉鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)它們的外貌，看起來與恒星（星體）似乎沒有任何區(qū)別。但是，從它們觀察到的“紅移”值非常大，又不可能是恒星，因此便被稱為“類星體”。
從類星體的紅移值，它們更像是星系，然而，也可以從觀測(cè)類星體的光度變化周期來判定它們的大小，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)其大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般星系的尺度。類星體的尺度雖小輻射能力卻相當(dāng)?shù)拇?。另外還有一些難以解釋的特點(diǎn)，以及后來大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，使得人們將它們與黑洞聯(lián)系在一起。
之后，發(fā)現(xiàn)了類星體的宿主星系后，天文學(xué)的主流觀點(diǎn)基本上認(rèn)為類星體是年輕而活躍的星系核，是星系發(fā)展早期的一段過程，叫做“活動(dòng)星系核”（AGN）階段。而在星系核的中心，是一個(gè)巨大的超重黑洞，在黑洞的強(qiáng)大引力作用下，一些塵埃或恒星物質(zhì)圍繞在黑洞周圍，形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。外部的物質(zhì)被吸進(jìn)吸積盤，而卷入到黑洞視界以內(nèi)的物質(zhì)則不停地掉入黑洞里，被黑洞吞噬，巨大的物質(zhì)噴流從與吸積盤平面相垂直的方向高速噴出，同時(shí)伴隨著大量的能量輻射。
類星體最后將會(huì)演化成如同我們銀河系這一類旋渦星系，或者是另外一類：橢圓星系。
最有意思的是，后來天文學(xué)家們觀察到一些擁有兩個(gè)超重黑洞的類星體，這就大大激發(fā)了人們的興趣。黑洞既然會(huì)吞噬周圍的一切，那么，兩個(gè)黑洞碰到一起，會(huì)發(fā)生一些什么呢？最簡單最直觀的猜測(cè)應(yīng)該是：它們將互相吞噬，最后合并成一個(gè)更大的黑洞。在這個(gè)碰撞融合的過程中，一定會(huì)以引力波的形式釋放大量能量，見圖1。
圖1：雙黑洞類星體
第一個(gè)在吸積盤內(nèi)發(fā)現(xiàn)有雙超重黑洞的類星體是位于室女座的PKS1302-102，它距離地球35億光年。這個(gè)類星體位于一個(gè)橢圓星系內(nèi)。根據(jù)計(jì)算，這兩個(gè)黑洞應(yīng)在33.39億年前就已經(jīng)互相吞噬而合并了，但這合并后的景象傳到我們這兒需要35億年！這些光信息還在半途中，因而我們?nèi)匀挥^測(cè)到“雙黑洞”！不過，從現(xiàn)在開始，從這個(gè)類星體接受到的信息應(yīng)該是非常精彩的，能讓我們看到兩個(gè)黑洞如何碰撞并合并！
此外，除了光信號(hào)之外，還有物理學(xué)家們正在尋找的引力波，這是愛因斯坦在天國里也要“夢(mèng)寐以求”的東西啊。根據(jù)天體物理的理論，認(rèn)為引力波也是按照光速傳播的，那么，碰撞合并事件中的引力波，也應(yīng)該可以被探測(cè)到！
于是，雙黑洞的類星體成為探測(cè)引力波的熱門候選天體，近幾年，美國的LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)站）的觀測(cè)目標(biāo)便指向了這類天體。美國花費(fèi)巨資升級(jí)的LIGO應(yīng)是目前最有希望觀測(cè)到引力波的儀器，最近幾天傳出不少新聞，據(jù)說捕捉到了引力波，《自然》和《科學(xué)》雜志都有隱約其辭的文章。明天（2月11日）上午10點(diǎn)30分，華府將有一個(gè)新聞發(fā)布會(huì)，會(huì)確認(rèn)這個(gè)消息。專家們將向全世界宣布首次直接探測(cè)到了引力波的消息，據(jù)說是遙遠(yuǎn)宇宙空間之外的，由兩個(gè)黑洞（36倍太陽質(zhì)量和29倍太陽質(zhì)量）碰撞并合成一個(gè)62倍太陽質(zhì)量的黑洞所引發(fā)，但愿這次的結(jié)果能夠進(jìn)一步得到驗(yàn)證，不要像上次的中微子事件那樣了。
圖2：兩個(gè)黑洞碰撞并融合的計(jì)算機(jī)模擬圖
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