两个黑洞并合

两个黑洞如何螺旋着靠近、震动空间本身，并在 13 亿年后在地球上被听到

逐步了解

一对黑洞

它们都是大质量恒星的遗骸。较大那个的视界直径约 210 公里，较小的约 170 公里，不比一座城市大；然而在每个黑洞周围，后方恒星的光都被弯成弧和环。两个这样的黑洞是如何开始互相绕转的，至今仍有争论：它们可能生来就是一对巨星，也可能是在拥挤的星团中相遇。

没有什么从外面推动它们。它们的轨道把能量输给了自己在空间本身激起的涟漪，因此不断缩小，起初很慢，然后越来越快。在这个距离上，它们还剩大约五十分钟。

空间的涟漪

它们一边绕转，一边震动空间本身。引力波以光速向外传播，把空间朝一个方向拉伸、朝另一个方向压缩，每转一圈两次。

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论在 1916 年预言了这种波。任何改变运动的质量都会发出引力波，但只有高速运动的巨大质量才能产生足够强、值得一提的波。这里把它们画在轨道平面上：空间被拉伸处为金色，被压缩处为蓝色；每一部分都显示了那段波出发时这对黑洞在做什么。

引力波带走能量，而这些能量来自轨道。即便如此，即使在一百万公里外，它们也只把空间拉伸约百万分之一。这些每秒大约起伏一次的缓慢波动，对地球上的任何探测器来说都太慢了。

越来越快

时间加快：轨道缩小时会加快，引力波也更强。在最后五十分钟里，两个黑洞从相距 10,000 公里靠近到约 900 公里，每秒转 17 圈。

黑洞离得越近，运动越快，发出的引力波越强，轨道失去能量也就更快。螺旋会自己加速：这五十分钟的大部分都花在宽而慢的绕转上，而最后一千公里用时还不到三分之一秒。

引力波的音调是轨道每秒圈数的两倍。当它超过每秒约 30 次、快到 LIGO 探测器能感知时，两个黑洞的相对速度已达光速的三分之一。

最后五分之一秒

放慢约七十倍：在最后五分之一秒里，两个黑洞又转了五圈，以超过一半光速的速度靠近到约 320 公里。

这正是 LIGO 听到的部分：五分之一秒里约十次振荡，音调从每秒约 35 次升到 150 次，强度也一直在增大。转换成声音后，它像鸟鸣一样向上扬起，科学家就称之为“啁啾”。

靠得这么近时，两个黑洞把空间弯曲得如此厉害，螺旋的简单公式不再成立。只有求解爱因斯坦方程的超级计算机才能一直追踪到最后。科学家把 LIGO 的测量与数千次这样的模拟比较，得出了质量：36 倍和 29 倍太阳质量。

二合一

视界相接并融合。已有三个太阳质量转化成了引力波，大部分发生在最后五分之一秒；在峰值时，它们携带的功率超过可观测宇宙中所有恒星的总和。

峰值时引力波带走约 3.6 × 10⁴⁹ 瓦，约为可观测宇宙中所有恒星光芒总和的五十倍，不过只持续千分之几秒。总的来说，36 倍和 29 倍太阳质量合成了一个 62 倍的黑洞：少掉的三个以引力波的形式离开了。

这里把并合过程本身画得很简单。超级计算机模拟显示了真实情况：两个视界连成一个歪扭的视界，并很快恢复形状。在整个过程中，除了引力波什么也逃不出来：在空旷空间中并合的两个黑洞完全不发光。

一个黑洞

剩下的是一个 62 倍太阳质量的黑洞，它的视界每秒旋转约 100 圈。它像被敲响的钟一样，以每秒约 250 次的振荡鸣响，几乎立刻就安静了。

这种鸣响是新视界在恢复形状。它的音调和衰减快慢只取决于黑洞的质量和自转，正如广义相对论所预言，而 LIGO 听到的与之相符。

斯蒂芬·霍金在 1971 年证明，黑洞视界的总面积永远不会减小。这里两个视界的面积合计约 230,000 平方公里；新视界约 370,000 平方公里，尽管损失了三个太阳质量，面积反而更大。2025 年，一次听得更清楚的并合 GW250114 以前所未有的清晰度证实了这一点。

奔向宇宙

引力波以光速向外飞驰，随着扩散而减弱。一秒多一点，它们就走完了地球到月球的距离；八分钟，走完地球到太阳的距离。

它们的强度与距离成反比：远十倍，弱十倍。与光不同，它们穿过恒星、气体和尘埃就像那里什么都没有，因此到达时和出发时一样，只是更弱了。

它们旅行了 13 亿年。出发时，地球上的生命大多还是单细胞。途中宇宙膨胀，把它们也拉长了：到达时比出发时长了 9%、音调也更低，科学家在计算质量时会把这一点考虑进去。

LIGO 听到了

2015 年 9 月 14 日 09:50:45 UTC，引力波从南方天空扫过地球。LIGO 位于路易斯安那州利文斯顿的探测器先感知到它们；3000 公里外、华盛顿州汉福德的探测器在千分之七秒后感知到。

每台 LIGO 探测器都是由两条 4 公里长的臂组成的 L 形，激光在臂中来回传播。经过的引力波会拉伸一条臂、压缩另一条；峰值时，这些臂的长度变化了约质子宽度的千分之一，LIGO 测到了它。

由于引力波以光速传播，两台探测器之间的 7 毫秒把波源定位在南天的一个环上；两台探测器无法说得更多。当时美国正值夜晚：路易斯安那是凌晨 4:50。这里的时间放慢了约六十倍。

此后数百次

这是人类第一次探测到引力波，距爱因斯坦的预言已过去一个世纪。到 2025 年，探测器已听到约 300 次黑洞并合，每隔几天就有一次。

这一发现让雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩获得了 2017 年诺贝尔物理学奖。LIGO 现在与意大利的 Virgo 和日本的 KAGRA 一起聆听：有三台或更多探测器时，就能把波源在天空中的位置定得精确得多。

迄今听到的最重的一对 GW231123 形成了一个约 225 倍太阳质量的黑洞。2017 年，人们听到了两颗中子星相撞，随后望远镜捕捉到爆炸的光，金等重元素就是在那里锻造出来的。