地理学大概是人类最陈旧的学科了。尽管历史悠久，可是在很长的一段年月里，地理学家都只能靠“看”来了解世界，看的是悠远天体宣布的光。光是电磁波，其间只要很少一部分能被人看到，这一部分叫做可见光。其他的光，如无线电、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等，都超出了人眼可见的规模，要用特别的仪器才干勘探到。凭借这些仪器，今日的地理学家们现已能够在全电磁波对世界进行调查，“看”到咱们的先人看不到的世界。（如图1）

图1：银河系在不同电磁波段照的相片。可见光波段的相片在第八行。（Credit： NASA）

世界中有没有咱们“看”不到的当地呢？公元2015年9月14日将永载史册，由于这一天，美国的激光干与引力波地理台（英文简称LIGO）搜索到了一个来自世界深处的信号。这个引力波信号不是“看”到的，是“听”到的。

引力波是广义相对论的预言。浅显的来讲，引力波就好像时空中的涟漪：时空受扰动后，这种扰动会像波相同向外传达，传达的速度是光速。引力波带来的作用之一便是使两点间的间隔有规则的振荡。正是经过准确丈量地球上两点间间隔的改变，LIGO才勘探到了引力波。这是一项艰巨的使命，由于这些引力波构成的扰动起伏大概在10-21这个量级。也便是说，即使有一把1000公里的尺子，引力波经过的时分，尺子长度的改变也仅有一个质子那么小，更何况LIGO的两个勘探器都只要4公里长。

勘探引力波为什么要靠“听”呢？咱们的耳朵之所以能听到声响，便是由于鼓膜对空气的振荡作出呼应。空气振幅越大，声响听起来越响。而咱们的眼睛之所以能看见物体，是由于视网膜对光子作出呼应。单位时间内碰击视网膜的光子越多，物体看起来越亮堂。由于引力波地理台勘探的是引力波的振幅，而不是引力波的流量，所以作业原理更像用耳朵听声响。

什么样的天体能被引力波勘探器“听”到呢？正如人耳听不到特别弱小的声响相同，引力波勘探器的听力也是有极限的。只要满意“嘹亮”的引力波源，才干被“听”见。从原理上来说，这些天体根本都要满意以下四个条件。

1、质量大。这便是为什么尽管事故也发生引力波（振幅大概在10-41左右），可是研讨引力波的专家一般不关心它们，除非有货车直接撞在了引力波地理台的外墙上（这样的乌龙事情真的发生过）。

2、标准小。太阳的质量是2x1027吨，水星是3x1020吨。即使这两个质量看上去现已很大了，但咱们仍是很难丈量到太阳-水星这个体系辐射的引力波，原因便是水星到太阳的间隔有六千万公里，这个体系的标准太大了。

3、形状不对称。和太阳比起来，中子星更重，尺度也小多了。可是单个中子星仍是难以发生强的引力波，原因便是中子星太圆。这也是为什么今日咱们还没有勘探到中子星自转发生的引力波。

4、间隔不太悠远。关于这一点，咱们下次接电话的时分把听筒拿的离耳朵远一点就有体会了。

世界中能够一同满意上面四个条件的天体并不多。在科学家“提名”的候选天体中，两个黑洞兼并是排名比较靠前的。公然，榜首起引力波事情便是双黑洞兼并事情。不过，让大多数地理学家大跌眼镜的是，咱们榜首次“听”到的黑洞居然和曾经“看”到的彻底不相同。

在“看”世界年代，咱们发现了一类比太阳重10倍左右的黑洞，它们都旅居在一种叫做“X射线双星”的天体中。地理学家估测，这类黑洞应该是大质量恒星逝世后留下来的遗骸。在教科书中，这类黑洞被称为“恒星级黑洞”。在学术会议上，地理学家常常不苟言笑的说：“众所周知，大质量恒星逝世后会构成黑洞，其典型质量是10倍太阳质量。”

LIGO“听”到的榜首起双黑洞兼并事情就推翻了地理学家对恒星级黑洞的界说。在这次事情中，一个黑洞比太阳重36倍，另一个比太阳重29倍！这样重的黑洞，在X射线双星中前所未见。一时间，整个地理届为之轰动。上面那句“众所周知”，从此也在学术圈隐姓埋名了。

地理学家为什么信任LIGO勘探到了超重的黑洞呢？换句话说，从引力波怎样就能够得知黑洞的质量呢？答案就在引力波的频率上。引力波的频率直接反映了两个黑洞彼此绕转的快慢。大略来说，黑洞越重，兼并前两个黑洞绕转地就越慢，因而引力波的频率也越低。反之，黑洞越小，发生的引力波频率越高。经过频率的凹凸，咱们能够判别黑洞的巨细，正如经过腔调的凹凸，咱们能够区分小提琴和大提琴的声响相同。

截止到2018年末，LIGO和欧洲的Virgo勘探器经过联合观测，又搜索到了9起比较坚信的双黑洞兼并事情，外加一同双中子星兼并事情。在这9起双黑洞兼并事情中，7起都含有超重黑洞，有些黑洞在兼并后乃至重达80倍太阳质量。（图2）

图2： LIGO/Virgo勘探到的双黑洞（蓝色）和双中子星（橙色）。紫色圆点代表X射线双星中的黑洞，黄色圆点代表已知的中子星。（Credit： LIGO/VIrgo/Northwestern Univ。/Frank Elavsky）

为什么这类超重黑洞从没在X射线双星中被“看见”过呢？超重的黑洞究竟是怎样构成的？它们真的是大质量恒星逝世后的产品吗？咱们“听”到确实实是超重双黑洞的“原声”吗？有没有可能是“失真”了的声响呢？还有其他办法能够证明超重黑洞的存在吗？关于这些问题，地理学家还没有清晰的答案。

但有一点是咱们的一致，那便是，人类调查世界的“默片”年代现已终结了。咱们步入了“有声电影”年代，下一步自然是要提高视听感触。在“听觉”方面，经过下降引力波勘探器的噪声（如LIGO/Virgo的晋级方案，以及未来的Einstein Telescope），咱们能够“听”得更远。经过制作新的地上引力波勘探器（日本的KAGRA，印度方案中的IndIGO等），咱们能够“听”见“立体声”，然后区分引力波天体的方向。经过在太空建立引力波勘探器（如欧美的LISA，日本的DECIGO，我国的“太极”和“天琴”方案等），咱们能够“听”到愈加消沉的“bass”，然后找到世界中更悠远、更重的黑洞。这些作业，都在连续地打开。

我国人有句话，叫做“兼听则明”。这儿调整一下标点，兼“听”则明，拿来比方今日的引力波地理学，刚好适宜。

陈弦，北京大学物理学院地理系助理教授，长时间从事和黑洞邻近的动力学有关的理论研讨，对辐射引力波的天体特别感兴趣。