2019年4月18日晚7點，中國科學院大學科學前沿進展名家系列講座Ⅳ第200講在玉泉路校區階一4教室如期舉行。本次講座的主題是「黑洞與引力波」。中國科學院國家天文臺「引力波天體物理」研究團組首席研究員，中國科學院大學崗位教授陸由俊老師生動地向同學們介紹起黑洞與引力波。
講座伊始，陸老師從時空開始講起。牛頓堅持絕對時空觀，三維空間就像是重複的方格，而格點上都有著時鐘。但在幾百年後，愛因斯坦提出了等效原理，進而得到了廣義協變原理和場方程，發現了彎曲的時空。陸老師先講起了愛因斯坦場方程的真空解——黑洞，包括史瓦西黑洞和克爾黑洞。在黑洞視界範圍內，任何物體（包括光子）都不能逃脫，不可避免地落向中心奇點。而時空，卻是愛因斯坦場方程的另一個解，由於引力的存在，時空就會發生彎曲。在弱場近似下，時空彎曲，在三維空間裡產生擠壓、拉伸和扭曲，而引力波就是其平面波解。而在強場下，例如緻密雙天體（雙黑洞或雙中子星）發生併合，也會產生引力波輻射。
理論意義下的黑洞在不斷被科學家們研究，但是實際存在著的黑洞呢？天文背景下的黑洞，按質量可分為恆星質量的黑洞、中等質量的黑洞、大質量黑洞和宇宙原初黑洞。恆星不斷緩慢演化，經過漫長歲月變為白矮星、中子星或者黑洞。那我們如何看見黑洞？陸老師如是發問。雖然我們看不見黑洞發出的光，但是黑洞附近氣體在吸積入黑洞的過程中溫度不斷升高，發射大量X射線輻射，那麼我們就可以「看見」黑洞。同時，我們也可以通過伴星運動測量X射線星的質量，當它大於3倍太陽質量時，我們也可以確定就是發現了黑洞。
在講完如何確定恆星質量的黑洞後，陸老師又講解道我們如何「看見」近鄰星系中心的大質量黑洞，即利用軌道擬合等方法確定中心天體質量，我們就可以發現銀河系中心黑洞、M87星系黑洞等等。確定了天體質量後，我們又如何判定一個大質量天體是黑洞呢？陸老師說道，黑洞的視界不可見，密度可測量，周圍空間也存在彎曲，而同時，黑洞的連續譜和反射譜、發射譜線的廣義相對論展寬都可以幫助我們判定黑洞。另一種方法就是像《星際穿越》展示的黑洞一樣，黑洞暗影也可以幫助我們判定黑洞。科學家們利用事件視界望遠鏡（EHT）進行毫米波級別的觀測，全球9個望遠鏡在2018年4月對Sgr a*和M87黑洞進行聯測，並在前不久發布了第一張黑洞圖像，轟動全球。
在研究大質量的黑洞過程中，我們發現，星系的直徑和黑洞的質量有很好的線性關係，這說明星系及其中心大質量黑洞共同演化，這兩者有緊密的關係。在現代宇宙學理論中，天體學家們認為，星系中心的黑洞控制了星系的成長。
接下來，陸老師又講起了引力波。引力波的波譜很長，頻率從低到高可由地面幹涉儀（如LEGO）、空間幹涉儀（如太極、天琴）、脈衝星（如FAST、SKA）、微波背景偏振（如阿里探測計劃）等方式探測。陸老師先是解釋了引力波直接探測實驗的原理，即2015年9月14日地面幹涉儀LEGO首次探測到引力波，測得結果完美符合理論預期。之後，陸老師提起了雙中子星併合引力波即電磁對應體的首次探測——CW170817，這個現象就是一開始提到的千新星。對於空間引力波的探測，即將來運行在太陽軌道上的eLISA和太極、運行在地球軌道的天琴等計劃，可以幫助我們在太空中觀測引力波。它們直接看到星系中心的雙黑洞併合，聽到第一代星系的「出生」，讓我們更加全面地認識宇宙。我們也可以利用脈衝星測試陣列（PTA）觀測恆星質量的黑洞落進大質量黑洞的現象。
最後，陸由俊老師總結了這次講座。廣義相對論預言了黑洞和引力波的存在，而天文觀測同時表明了黑洞的確存在，但是黑洞是否完全由克爾度規描述仍是待解之謎。銀星黑洞是檢驗克爾度規和驗證黑洞無毛定律的理想實驗室，而黑洞度規的檢驗是對理解基本引力理論的重要推進。引力波已被直接探測到，並將會有大量的探測。我們對於引力波的測量可用來檢驗黑洞度規和基本引力理論，而引力波源及其電磁對應體可用來精確探測宇宙，引力波天文學研究也將會迎來黃金髮展期。
講座即將結束，同學們積極提問，陸老師也認真回答同學們的疑問。
陸老師與同學們現場互動交流
報告人簡介：
陸由俊，現任中國科學院國家天文臺「引力波天體物理」研究團組首席研究員，中國科學院大學崗位教授。主要從事引力波天體物理、黑洞物理、類星體和活動星系核、以及星系宇宙學等研究。目前作為課題負責人參與中國科學院先導科技專項「多波段引力波宇宙研究」和國家自然科學基金委員會重大項目「引力波相關物理研究"等項研究。
報告摘要：
浩瀚宇宙時空，極物理之變化，衍萬物於其中，造宇宙之萬象。然時空焉有變化，可有窮極？百多年前橫空出世的愛因斯坦廣義相對論給出了兩個著名的預言，即黑洞和引力波的存在。它告訴我們時空不僅會在某些地方止於黑洞，也會因黑洞等天體的繞轉拖動發生變化泛起引力波動之漣漪。相對論學家和天文學家經百年不懈努力，終得窺真相：活動星系、星體運動、黑洞暗影，揭黑洞之藏身；數值併合、共振空腔、雷射幹涉，現引力波之真形。再為大用，啟多信使觀測，發引力波天文之濫觴，可探極致引力之奧義，可察宇宙之組成變化，未來可期。
延伸閱讀：
「科學前沿進展名家系列講座」創辦於2014年9月，是中國科學院大學為本科生開設的必修課程，同時歡迎研究生與教職工參加，由中國科學院大學本科部主辦，講座召集人為徐濤院士。該課程按照數學、物理、化學等13個專業，邀請相關科學領域的院士等知名專家開展專題講座。通過講述科學故事、介紹相關學科方向的科學前沿進展，讓學生在本科階段了解不同學科的科研方向與主要進展，拓寬學生的學術視野，為他們最終選擇學科專業與專業方向提供豐富的判斷依據。