合并中的黑洞: 重力波提供宇宙如何运行的新洞悉

合并中的黑洞(black hole)和重力波(gravitational wave) 的视觉化: NASA/J. Bernard Kelly (Goddard)， Chris Henze (Ames) and Tim Sandstrom (CSC Government Solutions LLC)

9月14日，行进超过10亿年的能量波在邻近地球的时空，温和地发出咯咯声。这个由一对合并中的黑洞所产生的扰动，被设置在华盛顿州Hanford城市和路易斯安那州Livingston城市的LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，雷射干涉仪重力波天文台)所捕获。这个事件标示出第一次侦测到重力波，以及开启宇宙如何运行的一扇新的科学橱窗。

之后不到0.5秒，在NASA的Fermi (Fermi Gamma-ray Space Telescope，费米伽玛射线太空望远镜)上的GBM (Gamma-ray Burst Monitor，伽玛射线爆发监测系统)，从相同的天际地区捡起一个短暂的、微弱的高能光爆发。分析这个爆发，只有0.2%的机会是单纯的随机巧合。由黑洞合并引起的伽玛射线会是一个里程碑的发现，因为黑洞被认为是’干净的’合并，不会产生任何形式的光。

阿拉巴马州Huntsville (亨茨维尔)城市的国家太空科学科技中心(National Space， Science and Technology Center)的一位GBM小组成员暨一篇天文物理期刊正在加紧评论的论文的首席作者Valerie Connaughton说：“这是一个诱人的发现，带着很低的机会是一个假的警讯。但在我们能开始重写教科书之前，我们需要去看更多来自黑洞合并与重力波有关联的爆发。”

侦测来自重力波源头的光，将能够对事件有更深入的了解。Fermi的GBM观看没有被地球阻挡的整个天际，并且对能量在8千到4千万eV(electro volt，电子伏特)之间的X射线和伽玛射线很灵敏。做个比较，可见光的能量范围大约在2到3eV之间。

有着宽阔的能量范围和大片地区的视野，GBM是侦测来自短暂的伽玛射线爆发(gamma-ray bursts，GBRs)的光最重要的仪器，这个光持续不到2秒钟。它们被广泛地认为发生在环绕像中子星和黑洞这样紧密的天体，向内盘旋并碰撞在一起的时候。这些相同的系统也被怀疑是重力波主要的产生者。

麻萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密松天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的一位博士后研究员暨LIGO科学合作成员Lindy Blackburn说：“就这么一件联合事件，伽玛射线和重力波在一起将确切地告诉我们是什么造成一个短暂的GBR。在这两个观察之间，有一个难以置信的共同作用。伽玛射线的观察，揭露出关于源头的能量学细节与局部环境的细节，而重力波的观察，提供了导致事件的一个独特的力学探索。”星期二在盐湖城，一场美国物理学会(American Physical Society)会议的受邀演讲，他将会讨论爆发以及Fermi与LIGO如何在一起运作。

现在，重力波天文台拥有相当模煳的视觉。当更多的设备开始运作，视觉将会随着时间而改善。但对于9月的事件，在发生日期后被命名为GW150914 LIGO，科学家只能追踪来源到一个跨越天际大约是600平方度(square degree)面积的弧形，相当于在地球被美国占领的角面积(angular area)。

位于Huntsville城市的阿拉巴马大学(University of Alabama )的一位GBM小组成员Eric Burns说：“寻找短暂的GRB非常像是在大海里捞针，但那正是我们的仪器被设计来做的事。GBM的侦测，允许我们削减LIGO面积，并且大大地缩小大海。”

在LIGO侦测到重力波后的不到半秒，GBM捡起一束高能量X射线的微弱脉冲，持续只有大约1秒钟。爆发有效地发生在Fermi之下，以及在一个到GBM侦测器的高角度，一种情况限制他们的能力去建立一个精准的位置。幸运的是，在被Fermi看到的那个时候，地球阻挡了一大片可能是爆发位置的带状地，允许科学家更进一步地缩小爆发的位置。

GBM小组计算出，小于0.2%的机会随机变动会在如此近距离的合并发生。假设这些事件是相连的，结合GBM局部化和Fermi的地球视野，会降低3分之2LIGO的寻找面积到200平方度。加上爆发放置在对GBM侦测器更好的地方，或是一个足够亮到被Fermi的大面积望远镜(Large Area Telescope)看到的光，更多的改善甚至是可能的。

LIGO事件是由两个相当大的黑洞合并产生的，每一个黑洞大约是太阳质量的30倍。这么大的双黑洞系统被认为是不寻常的。这个系统的本质和来源依然存在很多的问题。

黑洞合并不被认为会辐射出X射线或伽玛射线，因为环绕的气体是被需要来产生光。理论学家认为任何在双黑洞周围的气体，早在它们突然跌落之前就被清扫掉。对于这个理由，一些天文学家看待GBM爆发非常像是一个巧合，并且与GW150914无关。其他的天文学家发展出另一套方案，合并中的黑洞可能产生可看得到的伽玛射线辐射。这要采取进一步侦测，来澄清当黑洞碰撞时，到底会发生什么事。

一世纪前，爱因斯坦在他的广义相对论中预测重力波的存在。然后有50年的时间，科学家一直企图在侦测它们。爱因斯坦描述这些波像是时空结构中的涟漪，由大质量的、加速中的天体所产生，例如相互环绕的黑洞。科学家有兴趣观察和描绘重力波，来获悉更多有关产生它们的来源，和有关重力本身。