张双南：我为什么和两位同行因为引力波吵了一架？∣科学人
今年春节期间，地面激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布，人类第一次直接探测到引力波。这个引力波信号的来源，是两个黑洞相爱，相互绕转并合，最终结合在一起变成一个黑洞的过程。简单来说，通过引力波，人类围观了13亿光年外两个黑洞相爱的过程！仅仅4个月后，这帮科学家又宣布围观了一个确凿和一个疑似的黑洞伴侣们相爱的过程！
你们可能会奇怪，那都是旧闻了，俺的智能手机早就从引力波事件的刷屏中恢复过来了。在这信息爆炸的今天，还提这桩旧事干嘛？原因就是，因为这桩旧事，我和两个知名科学家，也是我的同事和好朋友，大吵了一架！当然，科学家吵架不稀奇，吵完架仍是好朋友也不稀奇，这次吵架也不例外。
事情的起因是＂分答＂，就是这个很好玩的新产品让我和他们吵了一架。在分答上，我的另外一位科学家同事和朋友曹俊向我提问：＂明天凌晨将公布的LIGO引力波新闻，又发现一个黑洞合并，14和8个太阳质量。对天文和宇宙学有何意义？＂
回答这个问题的时候，我提到，＂一旦通过电磁波精确测量到了引力波事件发生地的红移，则能够作为新的天文学距离测量手段研究宇宙的膨胀。这对于恒星演化、黑洞形成以及宇宙演化等研究都具有划时代的意义。＂
随后，在为一篇关于引力波探测的科普文章所写的导语中，我更详细地说明了我的观点：＂如果将来引力波测量的精度提高或者观测到距离更近的引力波事件，就可以对引力波源的方向测量达到较高的精度，加上引力波测量本身可以确定引力波源的距离，就很可能证认出该事件发生的星系。星系的红移是比较容易测量的，所以可以把引力波作为新的＂标准烛光＂研究宇宙的膨胀。相比超新星等其他标准烛光，引力波标准烛光更加干净和准确，而且不依赖于宇宙距离＂梯子＂。
我的意思是，除了可以让我们围观黑洞相爱，引力波用处还多得很，甚至可以用来研究宇宙的膨胀，比如测量哈勃常数，而且比目前常规使用的方法还要好！曹俊把我在分答上的回答转发到了朋友圈，我的一位科学家同事和朋友听了之后表示不同意，认为这种恒星级质量的黑洞并合不能用作为新的天文学距离测量手段研究宇宙的膨胀。于是，借着曹俊的朋友圈，我俩吵了一小架。
随后，果壳网副总编吴欧建了一个微信群，把一堆关心引力波的朋友拉到了一起。我又在这个群里说起了我的这个观点，立刻引起另一位科学家同事和朋友的激烈反对。他认为，只有空间激光干涉引力波天文台（比如欧洲正在做的LISA，以及中国正在推动的太极和天琴计划）通过探测超大质量双黑洞并合产生的引力波，才能够研究宇宙的膨胀。用他的话来说，＂如果LIGO能够做宇宙学，还要LISA干啥？＂而我的观点恰好相反，认为用超大质量双黑洞并合产生的引力波研究宇宙膨胀非常困难，因为找到超大质量黑洞并合所产生的引力波事件所在的星系非常困难。我们在群里吵了一阵子，也有群里其他朋友出来劝架，但最后还是不了了之，大家也就洗洗睡了。
但这事儿没完，因为科学就是刨根问底！
恰好前不久，我在欧洲参加一个国际会议，会议上有研究超大质量双黑洞并合的国际顶级专家，我特别向他请教，如何找到超大质量黑洞并合产生引力波事件所在的星系。他的回答是：虽然并非不可能，但的确非常困难，希望渺茫。
我立刻把这个信息发到了那个群里，群里马上有朋友响应，表示即使如此，也仍然有别的办法使用超大质量双黑洞并合产生的引力波来研究宇宙学，只不过没法测量哈勃常数，而且需要有非常多的超大质量双黑洞并合事例。这位朋友也肯定了我最初的观点，就是＂相比超新星等其他标准烛光，引力波标准烛光更加干净和准确，而且不依赖于宇宙距离梯子＂。同时这位朋友也指出，以前有学者发表论文提出过类似的想法，所以这是很值得研究的事情。
吵架的故事到此就告一段落，如果你还想了解我们吵架背后的科学原理，下面我就来作一个简要的解释：
哈勃通过测量星系的退行速度和星系的距离，发现退行速度和星系的距离之间成正比，这个正比系数就是哈勃常数。哈勃由此发现宇宙处在膨胀之中，这是一个革命性的发现。测量星系的退行速度不是很困难，只需要把星系光谱的谱线和地球实验室得到的同样谱线的波长进行比较，波长的移动（也就是红移）就代表星系的退行速度。但是测量遥远星系的距离非常困难，需要利用宇宙距离＂梯子＂，称为宇宙＂天梯＂。
简单来说，宇宙“天梯”主要由几部分组成。离我们很近的天体，比如月亮，可以从地面发射无线电或者激光信号，在月面上反射后回到地面，通过发射和接收信号的时间延迟，就能确定月亮的距离。但是对于太阳系外的天体，这种方法就不适用了，可以采用下图所示的三角视差法。但这种方法也只能测量太阳系附近恒星等天体的距离。
但是太阳系附近的天体不能用来测量哈勃常数，因为它们的运动受银河系的影响，不能反映宇宙的膨胀。即使银河系附近的星系，也不能直接用来测量哈勃常数，因为它们的运动受到附近其他星系的严重影响。所以，必须测量离银河系足够远的星系的退行速度，才能精确测量哈勃常数。
对于更远的天体，常用的距离测量方法之一就是利用＂标准烛光＂。基本想法是，如果有一类天体，它们发光的亮度是精确知道的，那么它们距离我们越远，我们接收到的光的流强就越低（即看起来越暗），如此一来，根据接收到的流强，我们就可以确定它们的距离。
有了通过光谱得到的退行速度和通过＂标准烛光＂得到的距离，我们就可以得到哈勃常数。随着观测精度的提高，哈勃常数的测量精度也不断提高，而宇宙加速膨胀（暗能量）的发现，就是这个测量过程的重大（意外）发现。
然而，想要精确知道某个＂标准烛光＂的绝对亮度是多少，就必须对它们进行标定，先用其他距离测量方法精确测出若干＂标准烛光＂的距离——这个过程就是在搭建测量距离的宇宙＂天梯＂。但是，每一级距离的测量误差都会带到下一级距离的梯子上，而且＂标准烛光＂也不一定就真是＂标准＂的，可能会随着距离或者其他天体环境而变化。因此，学术界有学者怀疑，宇宙加速膨胀（暗能量）就是宇宙＂天梯＂或者＂标准烛光＂的不确定性带来的＂幻觉＂。
把黑洞并合产生的引力波作为标准烛光则没有上面的问题，因为利用广义相对论理论，从引力波的观测资料直接可以计算出黑洞的距离，不需要依赖宇宙＂天梯＂进行标定。如果有办法通过电磁波的观测确定黑洞所在的星系，就很容易通过观测星系光谱而得到星系的退行速度（也就是红移），这样就直接得到哈勃常数了。
不过，在前面吵架的故事里面，我认为找到超大质量黑洞并合的星系会极为困难，而找到LIGO探测到的双黑洞并合（或者黑洞和中子星并合、双中子星并合）的星系比较有希望，有些星系的距离可能非常适合测量哈勃常数，这样就有了一种完全独立于以往所有测量哈勃常数的方法，而且不存在固有的系统偏差，有望获得最可靠的哈勃常数测量结果。
如果将来能够做到这一点，将会对宇宙演化的研究产生重大的影响。目前国内外有一批项目，主要目标之一就是寻找LIGO的引力波事件对应的天体及其所在的星系，也包括我们的团队研制的两个空间天文仪器POLAR和HXMT，将于今年9月和11月分别发射运行。POLAR是我国天宫二号空间实验室的一个重要实验设备，而HXMT是我国的第一颗X射线天文卫星。此外，我们还在规划若干更加先进的空间天文仪器来做这件事。支持和祝福我们吧！
所以，除了可以用来围观黑洞相爱，在研究宇宙方面，引力波的确还有很多其他的用途，不过想造引力波机器或者利用引力波穿越，就只能在科幻里面实现了。
题图來源：www.ligo.caltech.edu
（编辑：Steed；排版：朱諾）
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