文章插图

引力透镜效应会放大引力波 ， 从而让远处较小的黑洞（蓝色点）听上去像是近处较大的黑洞（红色点） 。 这里横坐标是距离 ， 纵坐标表示质量 。
第二种情况是2017年我与合作者 ， 中国科学院国家天文台的李硕研究员及北京师范大学的曹周键教授共同发现的 。 它针对的是假设（2） 。 这个工作直到2019年才被专业期刊接收发表[5] ， 也许是文章的结论在当时过于耸人听闻吧 。
我们意识到除了宇宙学红移 ， 天文学的研究对象还常常伴有“多普勒红移”和“引力红移” 。 多普勒红移是由于波源高速运动而引起的频率移动现象 ， 引力红移则要求波源位于很深的引力势中 。 我们梳理了各种双黑洞形成机制 ， 发现有一类双黑洞是形成在“超大质量黑洞”旁边的 。 这种超大质量黑洞可以比太阳重一百万到几十亿倍 ， 而且通常可以在星系中心找到它们 。 比如银河系的中心就有一个大约四百万倍太阳质量的大黑洞（这一发现被授予了2020年诺贝尔物理学奖） 。
超大质量黑洞周围的引力势非常深 ， 那里的天体必须进行高速运动才能不掉到黑洞里去 。 那里形成的双黑洞天然地具有很高的多普勒红移和引力红移 ， 它们发出的引力波降调降得更加厉害 。 如果我们忽视多普勒红移和引力红移 ， 只考虑宇宙学红移 ， 就会在探听到如此低沉的引力波后误以为黑洞的质量相当高 。 除此之外 ， 为了匹配振幅 ， 我们还会认为这个（假的）“大黑洞”离我们很远 。

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多普勒和引力红移会使引力波信号更加低沉 ， 导致近处的小黑洞（蓝色点）听上去像是远处的大黑洞（红色点） 。
更有意思的是 ， 如果这个想法是对的 ， 那我们就可以在小黑洞的引力波中寻找超大质量黑洞的印记 ， 这种印记可以告诉我们在高度弯曲的时空中广义相对论是不是仍然正确 。
09
结语
测量黑洞的质量和距离是引力波天文学最基本的问题 。 鉴于它的重要性 ， 越来越多的科学家开始重新思考独立的方法来检查引力波的测量结果 。
有趣的是 ， 传统的天文学观测手段有可能会帮上大忙 。 比如我们可以在引力波传来的方向搜索有引力透镜效果的星系或者星系团 。 再比如 ， 我们可以尝试搜寻引力波源发出的电磁辐射 ， 用这些“电磁对应体”来确定波源真正的红移 。 在某些情况下 ， 我们甚至有机会接收到引力波天体释放的高能粒子 。 这种联合各种天文学手段观察引力波天体的研究模式有个时髦的名字 ， 叫做“多信使天文学” 。 兜了一大圈 ， 我们还是希望“看”到引力波天体的样子 。
中国人常说“兼听则明” ， 但有时又说“耳听为虚 ， 眼见为实” 。 现在想想 ， 都充满了智慧 。
参考文献：
[1] “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”,LIGO/Virgo Collaboration, 2016, Physical Review Letters, 116, 061102 https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016ApJ…818L..22A/abstract
[2] LIGO/Virgo Compact Binary Catalog: http://catalog.cardiffgravity.org
[3] “Reinterpreting Low Frequency LIGO/Virgo Events as Magnified Stellar-Mass Black Holes at Cosmological Distance”, Broadhurst, T., Diego, J. M. & Smoot, G. III, 2018, arXiv:1802.05273

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