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| 本文作者：知社学术圈 | 2016-02-19 18:56 | 专题：引力波：宇宙中的“时空涟漪” |
【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。
但是，在科学实验中，往往可以估计出一个信号属于巧合的几率是多大。在LIGO中，采取了一个“时间平移”的方法［见引力波文章图4］。在分析数据的时候，我们采集两个探测器在不同时段的数据，看看这两段本不应同时有引力波的数据，同时产生这类似这两个波形出现的概率。得到的概率是10^-7以下。
当然！我们当然考虑了引力波在标准宇宙学模型下，在宇宙空间中的传播问题 。根据标准模型，我们这个波长的引力波（1万公里以下）受密度不均匀导致的影响在我们现在这个误差范围内完全可以忽略不计。如果探讨一下，那么第一大的影响就是宇宙的密度不均匀性，会造成引力波传播的“光线”并不是直线，从而导致引力波绝对振幅的一个修正。这就是所谓的弱引力透镜效果。我们今天对引力波振幅的估算误差，远远大于弱透镜导致的效果。
当然，上面提到了单位时间单位体积的黑洞并合率，就说明两对黑洞同时并合的概率是不为零的。但是，根据目前的灵敏度，在我们现在可以清晰观测的距离内，两个足够强的事件同时发生的概率是很小的。
这就有另外一个问题，如果考虑到特别远处的黑洞，那边有很多很多啊？虽然他们的信号到达地球的时候已经很弱了，但是会不会弱弱的加在一起就会足够强的“背景”呢？
事实上，把这个论断用在发光的星体上，就是宇宙学中注明的“奥伯斯阳谬”。也就是说，宇宙中越远的星星，虽然越暗，但是越多，结果根据均匀宇宙计算出的星星总光强，也就是“背景”，是无穷大。
这个阳谬可以用宇宙膨胀来解释。同样，双黑洞的引力波背景也可以这样解释。早在十几年前，就有科学家对这个问题做过讨论，并论证了双黑洞引力波背景的大小跟单位体积内的并合率的关系。结论就是，引力波源和星星一样。最强的源可以被单一的看到，但是也会有一个由众多远处的源导致的背景。我们的文章中也提到了这个问题，见［115］。
我认为迷信权威是错误的，怀疑是科学进步的源泉。鲍博士提出这些疑问，是对引力波物理学家的关心和爱护。期待更多的读者对引力波的发现提出质疑！也欢迎大家阅读我们PRL之外的另外11篇文章，那里面详细的讲解了这次引力波探测相关的各个方面。
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