2019年4月18日晚7点，中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅳ第200讲在玉泉路校区阶一4教室如期举行。本次讲座的主题是“黑洞与引力波”。中国科学院国家天文台“引力波天体物理”研究团组首席研究员，中国科学院大学岗位教授陆由俊老师生动地向同学们介绍起黑洞与引力波。
讲座伊始，陆老师从时空开始讲起。牛顿坚持绝对时空观，三维空间就像是重复的方格，而格点上都有着时钟。但在几百年后，爱因斯坦提出了等效原理，进而得到了广义协变原理和场方程，发现了弯曲的时空。陆老师先讲起了爱因斯坦场方程的真空解——黑洞，包括史瓦西黑洞和克尔黑洞。在黑洞视界范围内，任何物体（包括光子）都不能逃脱，不可避免地落向中心奇点。而时空，却是爱因斯坦场方程的另一个解，由于引力的存在，时空就会发生弯曲。在弱场近似下，时空弯曲，在三维空间里产生挤压、拉伸和扭曲，而引力波就是其平面波解。而在强场下，例如致密双天体（双黑洞或双中子星）发生并合，也会产生引力波辐射。
理论意义下的黑洞在不断被科学家们研究，但是实际存在着的黑洞呢？天文背景下的黑洞，按质量可分为恒星质量的黑洞、中等质量的黑洞、大质量黑洞和宇宙原初黑洞。恒星不断缓慢演化，经过漫长岁月变为白矮星、中子星或者黑洞。那我们如何看见黑洞？陆老师如是发问。虽然我们看不见黑洞发出的光，但是黑洞附近气体在吸积入黑洞的过程中温度不断升高，发射大量X射线辐射，那么我们就可以“看见”黑洞。同时，我们也可以通过伴星运动测量X射线星的质量，当它大于3倍太阳质量时，我们也可以确定就是发现了黑洞。
在讲完如何确定恒星质量的黑洞后，陆老师又讲解道我们如何“看见”近邻星系中心的大质量黑洞，即利用轨道拟合等方法确定中心天体质量，我们就可以发现银河系中心黑洞、M87星系黑洞等等。确定了天体质量后，我们又如何判定一个大质量天体是黑洞呢？陆老师说道，黑洞的视界不可见，密度可测量，周围空间也存在弯曲，而同时，黑洞的连续谱和反射谱、发射谱线的广义相对论展宽都可以帮助我们判定黑洞。另一种方法就是像《星际穿越》展示的黑洞一样，黑洞暗影也可以帮助我们判定黑洞。科学家们利用事件视界望远镜（EHT）进行毫米波级别的观测，全球9个望远镜在2018年4月对Sgr a*和M87黑洞进行联测，并在前不久发布了第一张黑洞图像，轰动全球。
在研究大质量的黑洞过程中，我们发现，星系的直径和黑洞的质量有很好的线性关系，这说明星系及其中心大质量黑洞共同演化，这两者有紧密的关系。在现代宇宙学理论中，天体学家们认为，星系中心的黑洞控制了星系的成长。
接下来，陆老师又讲起了引力波。引力波的波谱很长，频率从低到高可由地面干涉仪（如LEGO）、空间干涉仪（如太极、天琴）、脉冲星（如FAST、SKA）、微波背景偏振（如阿里探测计划）等方式探测。陆老师先是解释了引力波直接探测实验的原理，即2015年9月14日地面干涉仪LEGO首次探测到引力波，测得结果完美符合理论预期。之后，陆老师提起了双中子星并合引力波即电磁对应体的首次探测——CW170817，这个现象就是一开始提到的千新星。对于空间引力波的探测，即将来运行在太阳轨道上的eLISA和太极、运行在地球轨道的天琴等计划，可以帮助我们在太空中观测引力波。它们直接看到星系中心的双黑洞并合，听到第一代星系的“出生”，让我们更加全面地认识宇宙。我们也可以利用脉冲星测试阵列（PTA）观测恒星质量的黑洞落进大质量黑洞的现象。
最后，陆由俊老师总结了这次讲座。广义相对论预言了黑洞和引力波的存在，而天文观测同时表明了黑洞的确存在，但是黑洞是否完全由克尔度规描述仍是待解之谜。银星黑洞是检验克尔度规和验证黑洞无毛定律的理想实验室，而黑洞度规的检验是对理解基本引力理论的重要推进。引力波已被直接探测到，并将会有大量的探测。我们对于引力波的测量可用来检验黑洞度规和基本引力理论，而引力波源及其电磁对应体可用来精确探测宇宙，引力波天文学研究也将会迎来黄金发展期。
讲座即将结束，同学们积极提问，陆老师也认真回答同学们的疑问。（文/姜小平 图/依力哈木江 作者系国科大记者团成员）
陆老师与同学们现场互动交流
报告摘要：
浩瀚宇宙时空，极物理之变化，衍万物于其中，造宇宙之万象。然时空焉有变化，可有穷极？百多年前横空出世的爱因斯坦广义相对论给出了两个著名的预言，即黑洞和引力波的存在。它告诉我们时空不仅会在某些地方止于黑洞，也会因黑洞等天体的绕转拖动发生变化泛起引力波动之涟漪。相对论学家和天文学家经百年不懈努力，终得窥真相：活动星系、星体运动、黑洞暗影，揭黑洞之藏身；数值并合、共振空腔、激光干涉，现引力波之真形。再为大用，启多信使观测，发引力波天文之滥觞，可探极致引力之奥义，可察宇宙之组成变化，未来可期。
延伸阅读：
“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月，是中国科学院大学为本科生开设的必修课程，同时欢迎研究生与教职工参加，由中国科学院大学本科部主办，讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学等13个专业，邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展，让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展，拓宽学生的学术视野，为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。
