宇宙中是否有我们没有发现的元素（到底有没有宇宙）

地理可能是人类最古老的学科。尽管历史悠久，地理学家只能依靠& ldquo看& rdquo要了解世界，就看遥远天体宣布的光。光是电磁波，只要一小部分能被人看到，这部分就叫可见光。其他光，如无线电、微波、红外线、紫外线、X射线、γ射线等。，超出了人眼可见的尺度，只有用特殊的仪器才能检测到。有了这些仪器，今天的地理学家已经可以用所有的电磁波来考察世界了。看& rdquo一个我们的祖先看不到的世界。(如图1所示)

图1:不同电磁波下的银河系照片。可见光波段的照片在第八行。(鸣谢:NASA)

世界上有我们吗& ldquo看& rdquo小于的地方呢？2015年9月14日将永远载入史册。因为这一天，美国的激光树干和引力波地理站(LIGO)搜寻来自世界深处的信号。这个引力波信号不是& ldquo看& rdquo是的，是& ldquo听& rdquo到了。

引力波是广义相对论的预言。简单来说，引力波就像时空中的涟漪:当时空受到扰动时，扰动会像波一样向外扩散，传播的速度就是光速。引力波带来的作用之一就是让两点之间的间隔有规律的振荡。LIGO只是通过精确测量地球上两点之间的距离变化才发现了引力波。这是一个艰巨的任务，因为这些引力波引起的扰动波动大约是10-21。也就是说，即使有一把1000公里的尺子，引力波经过时尺子长度的变化也只有一个质子那么小，更何况LIGO的两个探索者只有4公里长。

为什么引力波的探索依赖于& ldquo听& rdquo然后呢。我们的耳朵之所以能听到声音，是因为耳膜对空气的振荡有反应。空气的振幅越大，声音听起来就越大。我们的眼睛之所以能看到物体，是因为视网膜对光子有反应。单位时间内击中视网膜的光子越多，物体看起来就越亮。因为引力波地理站探索的是引力波的振幅，而不是引力波的流动，所以工作原理更像是用耳朵听声音。

引力波探测器能探测到什么样的天体& ldquo听& rdquo它在哪里？就像人听不到特别微弱的声音一样，引力波勘探者的听觉也是有限的。只要你满意& ldquo光明& rdquo引力波源，可以& ldquo听& rdquo原则上见，这些天体必须满足以下四个条件。

1.高质量。这也是为什么虽然引力波发生在事故中(振幅约为10-41)，但研究引力波的专家一般不会在意，除非一辆卡车直接撞上了引力波地理站的外墙(这样的乌龙事真的发生过)。

2.标准小。太阳的质量是2x1027吨，水星的质量是3x1020吨。即使这两个质量现在看起来很大，我们仍然很难测量到太阳-水星系统辐射的引力波，因为水星和太阳的距离是6000万公里，这个系统的标准太大了。

3.形状不对称。与太阳相比，中子星更重，规模也小得多。但是单颗中子星还是很难产生强引力波，因为中子星太圆了。这也是为什么今天我们还没有发现中子星自转产生的引力波。

4.间隔不算太长。此时，下次接电话时，让我们把听筒放在远离耳朵的地方。

世界上能同时满足以上四个条件的天体并不多。在《科学家》杂志上提名& rdquo在候选天体中，两个黑洞合并的排名更高。公开的说，排在首位的引力波是双黑洞的合并。然而，令大多数地理学家惊讶的是，我们名列榜首& ldquo听& rdquo到了黑洞，曾经& ldquo看& rdquo完全不一样。

At & ldquo看& rdquo在世界的年代，我们发现了一个比太阳重10倍左右的黑洞，它们都生活在一个叫& ldquox射线双星& rdquo在天体中。地理学家估计，这样的黑洞应该是大质量恒星死后的遗迹。在教科书中，这种黑洞被称为& ldquo恒星黑洞& rdquo。在学术会议上，地理学家经常不苟言笑地说:& ldquo众所周知，大质量恒星死后会形成黑洞，其典型质量是太阳的10倍。& rdquo

LIGO & ldquo；听& rdquo在排行榜的首位，双黑洞的合并推翻了地理学家对恒星黑洞的定义。在这种情况下，一个黑洞比太阳重36倍，另一个黑洞比太阳重29倍！如此重的黑洞在X射线双星中是前所未有的。有一段时间，整个地理课都轰动了。上面那句& ldquo众所周知& rdquo此后在学术界也是隐姓埋名。

为什么地理学家信任LIGO去探索超重黑洞？换句话说，我们如何从引力波得知黑洞的质量？答案在于引力波的频率。引力波的频率直接反映了两个黑洞相互公转的速度。一般来说，黑洞越重，合并前两个黑洞的公转速度越慢，所以引力波的频率越低。反之，黑洞越小，引力波的频率越高。我们可以通过频率的起伏来区分黑洞的大小，就像我们可以通过音调的起伏来区分小提琴和大提琴的声音一样。

截至2018年底，LIGO和欧洲处女座探险家共同观察和搜索了9个更令人信服的双黑洞合并，外加一个双中子星合并。在9例双黑洞合并中，7例都含有超重黑洞，有些黑洞合并后的质量甚至是太阳的80倍。(图2)

图2:LIGO/处女座探索了双黑洞(蓝色)和双中子星(橙色)。紫色点代表X射线双星中的黑洞，黄色点代表已知的中子星。(鸣谢:LIGO大学/处女座大学/西北大学./弗兰克·埃拉夫斯基)

为什么这种超重黑洞从来没有& ldquo参见& rdquo那又怎么样？超重黑洞是如何形成的？它们真的是大质量恒星死后的产物吗？让我们& ldquo听& rdquo要真的超重双黑洞& ldquo原声& rdquo真的吗？有没有可能是& ldquo失真& rdquo噪音呢？有没有其他方法可以证明超重黑洞的存在？地质学家对这些问题没有明确的答案。

但有一点是我们的约定，那就是人类考察世界& ldquo无声电影& rdquo这个时代已经结束了。我们已经进入& ldquo有声电影& rdquo90年代，接下来自然是提升视听感受。At & ldquo听力& rdquo另一方面，通过降低引力波勘探者(如Virgo处女座的推进方案和未来的爱因斯坦望远镜)的噪音，我们可以& ldquo听& rdquo更进一步。在地面上做出新的引力波探测器后(日本的KAGRA，印度的IndIGO等。)，我们可以& ldquo听& rdquo参见& ldquo立体声& rdquo然后辨别引力波物体的方向。太空中的引力波探索者建立后(如欧美的LISA，日本的DECIGO，中国的ldquo太极& rdquo还有& ldquo秦天& rdquo方案等。)，我们可以& ldquo听& rdquo给越来越抑郁的& ldquo低音& rdquo然后找到世界上更远更重的黑洞。这些作业都是连续打开的。

我们国家有句话叫& ldquo一次听完& rdquo。调整这里的标点符号，然后& ldquo听& rdquo比如明，今天的引力波地理，刚刚好。

北京大学物理研究所地理系助理教授陈贤，长期从事黑洞动力学相关理论探讨，对辐射引力波的天体特别感兴趣。