從類(lèi)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(lèi)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(wú)線(xiàn)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(lèi)深入了解星云，也有可能由此揭開(kāi)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(shuō)，直接或間接地為100年之前愛(ài)因斯坦建立的廣義相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)的證據(jù)。
半個(gè)世紀(jì)之前被兩個(gè)美國(guó)工程師所觀(guān)察證實(shí)的微波背景輻射，為基于廣義相對(duì)論來(lái)描述宇宙的誕生和演化過(guò)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(mén)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(jiàn)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(lái)研究恒星的演化過(guò)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(yáng)大小的恒星，壽命大約為100億年，比如我們的太陽(yáng)正值中年，或者說(shuō)，大約再過(guò)50億年之后，太陽(yáng)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(guò)3倍太陽(yáng)的恒星的命運(yùn)與太陽(yáng)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(guò)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(guó)射電天文學(xué)家，他設(shè)計(jì)了一套接受無(wú)線(xiàn)電波的設(shè)備，讓他一位女研究生貝爾·伯奈爾日夜觀(guān)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(lái)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(chēng)為“小綠人”，意為來(lái)自外星人。但后來(lái)又發(fā)現(xiàn)這些脈沖沒(méi)有變化，不像攜帶著任何有用的信息。最后人們將這一類(lèi)新天體稱(chēng)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(jiǎn)史》一書(shū)中，就只說(shuō)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(lái)，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(shuō)，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(shuō)到的60年代天文界“四大發(fā)現(xiàn)”的另一個(gè)是類(lèi)星體的發(fā)現(xiàn)。為什么叫類(lèi)星體呢？因?yàn)槿绻霉鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)它們的外貌，看起來(lái)與恒星（星體）似乎沒(méi)有任何區(qū)別。但是，從它們觀(guān)察到的“紅移”值非常大，又不可能是恒星，因此便被稱(chēng)為“類(lèi)星體”。
從類(lèi)星體的紅移值，它們更像是星系，然而，也可以從觀(guān)測(cè)類(lèi)星體的光度變化周期來(lái)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(lèi)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(lái)大量的觀(guān)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(lèi)星體的宿主星系后，天文學(xué)的主流觀(guān)點(diǎn)基本上認(rèn)為類(lèi)星體是年輕而活躍的星系核，是星系發(fā)展早期的一段過(guò)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?chē)?，形成了一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤(pán)。外部的物質(zhì)被吸進(jìn)吸積盤(pán)，而卷入到黑洞視界以?xún)?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(pán)平面相垂直的方向高速?lài)姵?，同時(shí)伴隨著大量的能量輻射。
類(lèi)星體最后將會(huì)演化成如同我們銀河系這一類(lèi)旋渦星系，或者是另外一類(lèi)：橢圓星系。
最有意思的是，后來(lái)天文學(xué)家們觀(guān)察到一些擁有兩個(gè)超重黑洞的類(lèi)星體，這就大大激發(fā)了人們的興趣。黑洞既然會(huì)吞噬周?chē)囊磺?，那么，兩個(gè)黑洞碰到一起，會(huì)發(fā)生一些什么呢？最簡(jiǎn)單最直觀(guān)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(guò)程中，一定會(huì)以引力波的形式釋放大量能量，見(jiàn)圖1。
圖1：雙黑洞類(lèi)星體
第一個(gè)在吸積盤(pán)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有雙超重黑洞的類(lèi)星體是位于室女座的PKS1302-102，它距離地球35億光年。這個(gè)類(lèi)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^(guān)測(cè)到“雙黑洞”！不過(guò)，從現(xiàn)在開(kāi)始，從這個(gè)類(lèi)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(ài)因斯坦在天國(guó)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(lèi)星體成為探測(cè)引力波的熱門(mén)候選天體，近幾年，美國(guó)的LIGO（激光干涉引力波觀(guān)測(cè)站）的觀(guān)測(cè)目標(biāo)便指向了這類(lèi)天體。美國(guó)花費(fèi)巨資升級(jí)的LIGO應(yīng)是目前最有希望觀(guān)測(cè)到引力波的儀器，最近幾天傳出不少新聞，據(jù)說(shuō)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(zhuān)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(shuō)是遙遠(yuǎn)宇宙空間之外的，由兩個(gè)黑洞（36倍太陽(yáng)質(zhì)量和29倍太陽(yáng)質(zhì)量）碰撞并合成一個(gè)62倍太陽(yáng)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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