【报告repo】到黑洞旅行的宇航员和黑洞并合的引力波事件

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标题：到黑洞旅行的宇航员和黑洞并合的引力波事件
报告人：张双南（中科院高能所 | 国家天文台 | 国科大）
报告时间：2017年09月29日
报告地点：WHU物理学院新楼报告厅

到黑洞旅行的宇航员和黑洞并合的引力波事件

这标题还是一如既往地那么张老师Style。

话说我本来有课不能去讲座的，结果老师神操作，把我们一个班的人都带过去听讲座了2333就是要求写个总结……我的话大概就是这篇东西了吧_(:зゝ∠)_

Attention：

• 这只是一篇听完讲座后的内容整理，讲座上记得匆匆忙忙的，内容不一定准确，尽量保持内容和结构的完整。
• 有错漏的地方，是我的锅，评论或者发邮件[^邮件]给我指正都好……
• 讲座当时速记的大纲请点这里。

什么是黑洞

当时在场的都是物院的同学来着，所以张双南老师一开始说“可能大家会觉得‘为什么是以这个问题开头’，黑洞难道不是一个大家应该都有脑内图像的概念吗。”（大意，我记忆力没那么好Orz）但其实不同的人们说起黑洞还是有微妙不同的。

第一种是数学家们口中的黑洞，指的是广义相对论场方程的解，一个奇点加上视界，场方程可以解出来很多奇奇怪怪的解，数学家把它们都叫做黑洞，并不考虑这些奇形怪状的解会不会实际存在。

第二种是物理学家们脑中的黑洞，是由Birkhoff定理规定的，指的是质量全部都落在视界以内的天体，这个看上去比较实际，但并不保证这种天体可以在有限的宇宙的时间里能被产生。

第三种是天体物理学家（或者天文学家？）眼中的黑洞，指的是在有限的时间里可以通过天体物理过程形成的黑洞。目前我们所知的唯一一个形成黑洞的过程是大质量天体的引力塌缩。

对于天体物理学家来说，因为视界里面看不到嘛，什么信息都传不出来，所以一般来说是不关心视界里面到底发生了什么的，但以后可能会有所不同。

天体物理学家眼中的黑洞

宇宙的生命是有限的。一个黑洞，首先它要在宇宙有限的生命里可以形成，我们研究它才有意义。

1939年，奥本海默写下了黑洞相关的开山奠基之文《On Continued Gravitational Contraction》，后来关于黑洞的研究追本溯源都得引用到这篇文章上去。

一则听完我也忘了主人公是谁的八卦：据说有个谁的某篇文章曾经获得过一个很高的评价，叫做“这篇文章深刻地预见了一系列重要的结果，虽然他的计算都是错的，但结论都是对的。”但是Oppenheimer这篇文章有个谁（……）给的评价更高，说计算和结论都是对的（大概？）

在这篇文里，Oppenheimer给出了几个重要结论：

• 天体物理的黑洞（大质量引力塌缩形成的黑洞）是可以形成的。
• 还算了时间：对于一个恒星来说，从和物质一起下落的观察者看来，塌缩的时间大约是一天；对于在外面围观的观察者来说，他会看到物质下落无限逼近引力半径的视界。aka对于怕死的天文学家来说（如果你想做个天文学家，通常来说你是要怕死的），有生之年是看不到物质落到黑洞里去的。
• 关于靠近视界边缘的物质：由于一个真实的引力塌缩过程肯定不可能在真空中进行，所以周围肯定有其他物质；对于这些物质来说，视界的里外并没有什么差别，就算在外面，在微秒级时间内光线就会衰减、红移到看不见。所以无所谓了反正黑洞都那么黑。（？）

Birkhoff定理的问题

In general relativity, Birkhoff's theorem states that any spherically symmetric solution of the vacuum field equations must be static and asymptotically flat. This means that the exterior solution (i.e. the spacetime outside of a spherical, nonrotating, gravitating body) must be given by the Schwarzschild metric.(Wikipedia)

在某本“作为天文学家一定要有一本，不管你拿来看还是拿来镇宅”的大黑书《Gravitation》里也说到了Birkhoff定理，大概意思是类似牛顿体系中的结论，在黑洞外面的物质不会影响到里面的引力场，它的外部解由史瓦西度规给出。

也就是我们看一个一层一层的洋葱一样的结构：

【黑洞物质】——1【真空】——2【中间物质】——3【真空】——4【观察者】——5【真空】——…………

然后在不同的带数字编号的地方算它的解，最终可以由史瓦西度规给出。

但是这里有两个问题：

1. 时间的问题：在相对论下时间是一个很重要的问题，在不同的真空区域采用的时间定义是不是一样的？
2. 度规在边界处是否连续的问题

张老师表示去查了当年的原始文献，想看看当年Birkhoff到底是怎么推出来Birkhoff定理的。

又是八卦时间：Birkhoff的原始论文国内就两份，一份在国图一份在北大，国图那份去找的时候说实在是找不到，北大那份本来说可以借的，但是正逢图书馆装修，这部分老文献给搬到地下室去了……所以过了好久等北大图书馆修完了才借出来。

最后发现Birkhoff这本书当时写的是太阳系的引力场（还是球对称的）下证明了外部的物体不影响内部的引力场。

问题在于啊，这个“内部”和“外部”，讲的是一个体系的中心和外围，不是指的一个体系的体系内和体系外……aka Birkhoff当年根本没考虑过太阳系外面的东西对内部是怎么个作用法。

然后有了一个新的问题：如果Birkhoff定理没考虑过外部的物质对内部的引力场会不会有影响，那修正以后会是什么样的结论？于是09年张老师跟他的博士生写了篇文，讨论了一下修正以后的情况。

论文点这里

跟Oppenheimer的文章得出了不一样的结论：

• 对于一起掉落到视界里面的共动观察者来说，内外球壳会一起收缩到奇点处；
• 在怕死的外部观察者眼里，是逐渐膨胀的视界吞噬了球壳；
• 对于下落的物质来说，物质会掉到黑洞里面，但是不会掉到奇点里面；
• 对于两个冻结星来说，它们的并合除了引力波以外还会放出电磁波辐射；但两个黑洞（所有的质量都在视界以内）并合，就只会产生引力波。

引力波、HXMT和其他

一条新闻（？）：LIGO观察到引力波的时候，费米天文台表示他们看到了gamma射线暴，但是欧洲的（我忘了哪个）天文台表示没有看到。

然后追究了一下引力波事例里的两个黑洞是怎么来的：如果是由冻结星形成的，那么应该会放出大概$10^{55} erg$的能量，但是并没有看到这部分能量，所以可以排除是冻结星形成的；如果按照张老师09年那篇文章的思路，那么并合确实就不会看到电磁辐射，只会有引力波。

惯例的安利时间啦，当然要吹一下高能所（不是），在天文这方面，去年HXMT（正式名称叫“慧眼（Insight）”）成功上天了。

还是一条八卦：HXMT本来计划去年的十一月上天的，但是当时连续几个卫星上天都没成功，所以延迟到了今年，结果它的前后的卫星好像都没成功，就它成功上天了，可以说非常幸运了。

HXMT的科研目标主要是做银河系的扫描巡天，用来发现新的源；也观测中子星、强磁星和gamma射线暴。

目前HXMT已经观测到了超过20个gamma射线暴的信号。