2016年的春节与往年不太一样，在很多人手机的微信朋友圈里，全是LIGO发现引力波的报道。
引力波一下成为大众媒体中最热的科学词汇。
为什么会这样呢？
也许有以下几方面的原因：首先这一发现证明了爱因斯坦的广义相对论是一个非常有生命力的引力理论，同时引力波也被认为是继电磁波之后能推动人类文明上一个台阶的潜在的推动力量，最后则是因为这次由双黑洞碰撞发出引力波的事件看起来很符合大众的直觉。
一个质量为29倍太阳质量的黑洞与另一个质量为36倍太阳质量的黑洞碰撞并合，产生引力波，然后被地球上的LIGO探测到……对这一过程的描述已经耳熟能详，但是，大家有没有想过，这次探测到的引力波是两个质量很接近的小黑洞相互绕转碰撞并合产生的，如果换一种物理情景，对于一个小黑洞与一个大黑洞相互绕转碰撞并合的过程，这时候发出的引力波应该是什么样的呢？
对于这一问题，蝌蚪君独家专访了该领域的专家，中国科学院上海天文台的韩文标副研究员。
黑洞碰撞以及微扰理论
韩文标是一个80后，他小的时候就对宇宙星辰充满了兴趣，后来他在中国科学院上海天文台取得博士学位。韩文标是从事广义相对论背景下的双星动力学研究的，目前他主要研究“黑洞的碰撞以及微扰理论”。
对于目前LIGO发现GW150914这一事件，从学术上来说需要处理两个黑洞碰撞理论模型，在经典的相对论书籍与文献中就少有研究与报道，其主要困难在于，描述单个黑洞的度量相对比较简单，一般是所谓的“史瓦西解”或者“克尔解”这些爱因斯坦引力方程的解析解。但是，因为爱因斯坦引力方程天生的高度非线性性质，使得一般情况下找不到“两个黑洞待在一起”的解析解。这就好像我们可以描述一只单身狗的行为（无非就是吃饭睡觉看电视），但很难描述一对情侣的行为（情侣可以做的事情比单身狗多多了）。
于是，相对论学者想到了用电脑来计算“两个黑洞待在一起”的数值解，这一方法被发展了几十年，目前已经形成数值相对论这一前沿学科。数值相对论的英文是numerical relativity，简称为NR。
目前在国内，有中国科学院上海天文台的韩文标、中国科学院数学研究所的曹周键等人在从事这一方向的研究工作。韩文标在研究方向上更加偏重于黑洞的微扰方程的数值解。
所谓微扰，顾名思义就是“微小的扰动”，一个典型的研究案例就是，如果在一个大质量黑洞（大概数百万个太阳质量）的附近有一个小质量黑洞（大概十个太阳质量），那么这样的系统将如何演化？在这个案例中，小黑洞就构成了对大黑洞引力场的一种微扰。
黑洞的微扰一般不会发生混沌行为
韩文标告诉蝌蚪君，这样一个大质量黑洞与一个小质量黑洞构成的物理系统被称为“极端质量比双黑洞系统”(EMRI)。
蝌蚪君：“我们都知道，黑洞附近的引力场特别强，描述这个引力场的广义相对论是一个高度非线性的系统，那么，小黑洞在大黑洞的引力场中的轨道会不会发生混沌呢？”
韩文标：“在极端质量比双黑洞系统中，一般很少发生混沌行为。”
蝌蚪君：“是不是在三个黑洞时候才容易发生混沌？”
韩文标：“那当然，三体问题本来就很容易发生混沌。”
极端质量比双黑洞辐射出来的引力波的频率怎么计算？
对于双黑洞辐射出来的引力波怎么计算，这是一个有趣的问题，如果用高中物理的办法来估算的话，也不是完全不可以——总体上来说，我们可以认为一个黑洞绕另外一个黑洞转一圈所花费的时间是一个周期，那么周期的倒数就是频率，这个频率在数量级上与双黑洞系统辐射出去的引力波频率是接近的。
韩文标：“对于圆轨道来说，双黑洞辐射出来的引力波的频率是轨道运动频率的2倍！”
蝌蚪君：“为什么是2倍？”
韩文标：“因为你知道，引力辐射是四极辐射，在圆轨道上转半圈的时候，四极矩已经恢复了，所以在轨道上转一圈，四极矩其实变化了2个周期，这就是为什么要乘上2的原因。”
蝌蚪君：“我们都知道广义相对论中存在所谓水星近日点进动的事情，这是因为引力场不是由简单的牛顿引力理论给出。除了圆轨道，因为存在进动，轨道不是封闭的。那么，在极端质量比双黑洞系统中，如果没有封闭的轨道，如何定义周期性？如何得到基本频率？”
韩文标：“可以用轨道的几何参数的周期性变化。只要轨道不是混沌的，当小黑洞从近星点运动到远星点再回到近星点时可以定义为一个周期；当小黑洞的纬度扫过360度时也可以定义一个周期；另外经度方向的变化也有一个周期性。这三个周期都不相等。这些都是基本的频率。”
极端质量比双黑洞辐射出来的引力波有什么特点？
目前LIGO发现GW150914不是一种极端质量比双黑洞系统，在这个事件中两个黑洞的质量差不多，质量比率为29比36，比值接近于1。而极端质量比双黑洞的质量相差一万倍以上。但是， 极端质量比双黑洞系统在宇宙中有很多，因为现在天文学家认为几乎每一个星系中心都有一个超大质量黑洞，比如我们银河系中心就存在一个大约4百万太阳质量的黑洞。研究这类系统发出的引力波，将成为未来引力波探测计划的目标，包括中国正在预研的“太极”与“天琴”引力波探测计划。
韩文标：“极端质量比双黑洞系统中，小黑洞绕进大黑洞所花费的时间很长，一般是几年以上，不像GW150914，短短几秒钟就绕进去撞上了。”
蝌蚪君：“因此，极端质量比双黑洞系统辐射的引力波持续时间长，但引力波强度（振幅）更弱？”
韩文标：“是的，强度上会弱一些，但我们有很长的时间来观测引力波，这样可以采集很多的引力波数据，对这类系统的物理过程研究会非常清晰。“
引力波探测其实与雷达探测很像
对韩文标老师的采访接近尾声，韩老师告诉蝌蚪君，引力波的探测其实与雷达很像，都需要首先建立理论模型，然后从测量数据中分析出结果。雷达看到一个目标，一开始是不知道这个目标到底是气球还是鸟，这需要气球与鸟的雷达回波的数据库或者理论模型。引力波实验也是如此，我们需要对不同质量比的双黑洞系统建立模型，然后再去匹配测量到了信号，判断出这到底是不是引力波信号，然后提取出双黑洞的质量等信息。
蝌蚪君对这个雷达的比喻深以为然。
最后，韩老师告诉蝌蚪君，目前市场上关于抗引力波辐射的孕妇服或者抗辐射保健品都是炒作或者恶搞，大家不要上当。引力波根本就没有办法像电磁波那样被屏蔽，引力波的强度非常弱，对人体没有什么危害。希望韩文标老师研究的极端质量比双黑洞系统发出的引力波信号也能早点被我们人类测到。
本篇采写 蝌蚪五线谱 张轩中