双黑洞并合产生伽玛暴的可能渠道
去年秋天刚刚完成升级的高新激光干涉仪引力波天文台aLIGO第一次以5.1σ的置信度直接探测到引力波事件GW 150914，这一发现的公布绝对是近来的轰动性新闻。虽说之前相关传言四起，但无论如何还是要等到官方的最终确认才算尘埃落定。这次的引力波信号据信起源于南天两个黑洞的并合，探测结果几乎符合理论计算的预言。在爱因斯坦提出引力波理论过后的第100个年头，这项发现的公布的确称得上是最好的纪念与庆祝。（所以说今年的春节绝对就是不应该过，期间错过的全是业内大事，更何况如果不存在春节这种恼人又累人的“佳”节，自己某火箭模型的逃逸塔也不会碎得四分五裂了，那该有多么美好……）
GW 150914在aLIGO的Hanford站（左）与Livingston站（右）的探测结果，上起依次为探测器应变图、重构出的应变与数值相对论模拟的比较、残余应变信号图，以及波形的时间-频率图。（图片来源：Abbott et al. 2016）
不过就在aLIGO小组召开新闻发布会之前5分钟，本人还认为这很可能只是又一次“大狗”式的盲注信号测试而已，甚至至今对此事都有些将信将疑。aLIGO是在去年9月18日正式启用的，当时的灵敏度不过是之前LIGO最佳状态的3倍；而探测到引力波事件的9月14日尚处设备调试期。要知道，这种迈克耳孙干涉仪式引力波探测器，一大特点就是灵敏度随使用时间推移而逐渐提升。aLIGO的最终目标是灵敏度10倍于前，可是在这种情况下引力波的探测概率也只是从升级前的“plausible”改善到了“possible”，根本就不敢打包票的。结果它在刚刚开机性能最差的时候，就收到了一个求之不得的信号，还是一个信噪比超过20的较强信号，这是要有多好的运气？倘或说双黑洞并合的发生率较高，那么在LIGO运行的8年里为何又一无所获？要说之前对这种级别的事件也应该有所反应吧！
前两天去高能物理研究所联系合作事宜，期间造访的一位研究员称他实在不能理解为何引力波探测的相关媒体报道如此铺天盖地且用词夸张。其实本人也有些类似的疑问。这一发现的里程碑式意义固矣，但个人以为其中的工程影响远大于理论。毕竟利用迈克耳孙干涉仪测量出相当于质子宽度千分之一的距离变化，对仪器精度与数据处理流程的挑战还是相当大的。但在直接探测引力波之前，脉冲双星PSR B1913+16等系统的轨道运动能损以及其他多种现象都与广义相对论的预言完全吻合。在这样的背景下，要是直接探测到的信号与理论偏差甚远，那才是真的出了大事，也才叫理论发展的契机与动力；而与理论相符，只是用更直接的证据再一次验证了原本已是久经考验的相对论的正确性而已，实属意料之中。至于什么开启引力波天文学新窗口新纪元之说，也无可避免地存在噱头的成分：新窗口不假，机遇也确实存在，但是此类事件的探测率能有多高还是未知数，所以引力波与其他媒介的联测可以发挥多大的实际用场都还难讲。虽然aLIGO小组根据这仅有的一个事件估测了双黑洞并合的发生速率，但其中的不确定性也实在太大了些，毕竟单一样本的统计涨落不能忽略。当然，整个事情的历史意义倒更值得玩味，比如这次相关论文选择发表在Physical Review Letters而非其他名头更响亮的杂志上，据说就跟引力波理论提出过程中的种种波折有关。
更吸引本人兴趣的倒是费米伽玛射线空间望远镜的同期观测，也就是本篇的主题。GW 150914的探测出现在当天世界时上午9时50分45秒，而在区区0.4秒之后，费米的伽玛暴监视仪（GBM）就在同天区接收到了一个持续1秒的瞬变信号，且并不与已知天体的活动成协，在能谱方面则与偏离GBM视线方向发生的短伽玛暴，尤其是弱暴的特性相符，辐射光度约合每秒1049尔格。但与大多数伽玛暴不同，这个信号的置信度相对较低，并不是由星载仪器实时触发的，只是在事后的离线数据处理期间才浮出了水面。这一点倒也不算太大的问题，因为早在费米升空前就听到过其仪器的触发策略对短暴不适宜的说法，近来更有分析认为，针对离线数据的合理挖掘可以让费米的短暴探测率提升一倍左右。但需要说明的是，同期也覆盖同一天区的INTEGRAL并未探测到此次事件；而且在GW 150914过后数小时到数日内，多台光学或高能仪器都瞄准了相应的天区，但迄今为止还没有哪个小组汇报称发现了任何异常。
2015年9月14日世界时9时50分45.797秒前后，费米的GBM仪器记录下的光变曲线。图中蓝色的数据点用于背景的扣除，绿色数据点表示挖掘出的信号，红色表示其平均值。（图片来源：Connaughton et al. 2016）
一般认为，短暴源自双致密星的并合，期间理应伴以引力波信号。伽玛暴的电磁波谱与引力波协同触发和监测长期以来一直是业内观测者的理想，如果能够实现，这既可以确切地敲定短暴的起源，还能限定前身天体的特性。不过双中子星也好，中子星加黑洞也好，短暴的经典图景都至少要涉及一颗中子星。双黑洞并合产生电磁波信号基本上是被人直接无视的，因为很难想象演化到后期的双黑洞在周边区域仍旧保有吸积盘等可以发出辐射的结构，而黑洞本身是不能发光的。
GW 150914据信源于410百万秒差距（对应红移0.09）外一对几乎等大的黑洞的并合，它们的质量分别是太阳的29倍和36倍，块头在恒星级黑洞中不算小；最终产物是一个62倍质量于太阳、自旋参量约合0.67的克尔黑洞。并合产生的引力波波形取决于并合天体的质量以及其他特性（依稀记得大概或许貌似可能还包括物态，不过本人学习引力波相关理论还是将近10年前的事情，随后一直没能将其用到实际工作中，细节早已忘得一干二净），幅度则依赖于距离，故而可以根据实测信号对这些参数加以反推。虽说这次估测的黑洞质量和距离都存在较大误差，但无论再怎么误差也不容许中子星这一可能性的存在。这样看来，对于伽玛暴的研究者来说，麻烦真的出现了：两个黑洞并合，如何才能生成短暴？而电磁信号相对引力波的延迟，还有较弱的爆发强度又要怎样兼顾？
双黑洞并合的模拟图，图中不同颜色表示时空曲率的变化。（图片提供：NASA/C. Henze）
就在最近这几天，arXiv一下子冒出了三篇探讨相关机制的论文，试图解答这样一系列棘手的问题。按照时间出现前后，它们分别是超大质量恒星爆发形成的双黑洞、带电荷的黑洞以及双黑洞并合后的吸积盘回落，以下分别概述之。
可能是沾了提出时间最早的光，2月15日上网的第一种模型最受媒体青睐（说是这样说，实际上也只比后两种模型早公布一天而已）。它的大意是说，这对质量接近的双黑洞都是由同一颗快速自转的大质量坍缩星形成的，黑洞旋即并合为一，其周围的吸积盘射出了一道相对论性喷流，顺理成章地产生伽玛暴。这一途径要求前身星质量大于太阳的100倍，核心区域的质量约合太阳的65倍。为了坍缩形成一对而非一个黑洞，这样一颗前身星必须要具备极快的自转，可能与导致自身瓦解的转速下限相去不远，而角动量在星体演化期间则由足够低的金属丰度或其他因素来保持。
双黑洞经由单星坍缩形成乍看上去有些古怪，不过早在近20年前就有人对其进行过相关探讨。如果星体中心的物质物态足够硬，快速自转的核心可能会首先形成一个棒状结构，然后棒状结构一分为二，出现两个几乎等大的物质团块，它们再各自在中微子冷却或磁流体的作用下迅速坍缩形成黑洞。这对黑洞的初始间距只有108厘米左右，因此很快就会经由引力波损失轨道动能，跨过最内稳定圆轨道合二为一。整个过程非常短暂，无法解释GW 150914与GBM信号之间相隔的0.4秒，不过倘或将黑洞喷流穿越大质量恒星包层的时标计算在内，延迟的出现就很自然了。至于这个信号区区1秒的持续时间（而非大质量恒星坍缩生成的长伽玛暴典型的20秒）以及相对较弱的光度，就要归结为中等相对论性黑洞喷流穿越超大质量恒星延展包层了。喷流与包层的相互作用让自身加宽，集束性下降，所以后续伽玛暴的光度暗于“正常”渠道爆发的典型值。未来如果能探测到同类事件的余辉演化（以及宿主星系性质），就可以对这一模型进行进一步的探讨和检验。
与大质量恒星中心新鲜生成双黑洞，随即又发生并合不同，后两种模型探讨的都是早已存在的双黑洞作为伽玛暴爆发的机理。先说同样针对黑洞吸积盘来玩花招的第三种。所涉及的系统一开始是一对低金属丰度的大质量（太阳质量的30到40倍）恒星，各自的自转速度需要达到使星体瓦解的临界转速的百分之几十。影响双星演化的因素有很多，不过之前的研究已经说明，再复杂的吸积也不会让恒星演化出现本质性的改变，这里为简便起见只作孤立恒星处理，并考虑了经由磁矩带来的角动量转移，计算出星体爆发之前的演化情况。其结果是，星体外部包层明显沉积了大量的角动量。
40倍太阳质量的前身星在发生超新星爆发前，图中不同颜色的曲线对应不同初始自转速度的情形。（图片提供：Perna et al. 2016）
这样的角动量沉积意味着长寿的回落吸积盘在超新星爆发过后的残留。在超新星爆发过后90年，上图中的这颗恒星留下的吸积盘逐渐冷却下来，脱离了超爱丁顿状态。当盘中的温度足够低，气体不再保持电离态，而且磁扩散效应停止后，吸积流也止住了，盘面变得死气沉沉，故而得以保留。如果这样的盘面是双星中较晚爆发的成员星留下的，而且随后系统没有受到外力的改变，那么直到黑洞并合前夕，死寂的吸积盘还是能够一直存在的。
然后就是带着死寂吸积盘的黑洞系统的漫长演化和靠近了。当其中一个黑洞的吸积盘外边缘进入另一个黑洞的潮汐截断半径之后，第二个黑洞的潮汐耗散开始对盘面发挥作用，由此产生的热量让盘的外边缘电离（不过盘面中心仍旧保持中性，吸积不会发生）。随着两个黑洞的进一步靠近，吸积盘也从准静态过渡到了激波驱动的脉动态，变得愈发不稳定。最终在黑洞并合之前不久，短暂的吸积开始了。如果这时生成了相对论性喷流，伽玛暴就发生了。结合盘面的质量和尺度典型值估算，这样的爆发应该是短暴。
最后再来说一说带电荷的黑洞。根据经典理论，黑洞只能保有三个物理量，质量、角动量和电荷。前两点早已得到了透彻计算，但黑洞的电荷似乎一直被人回避，更有说法认为，由于宇宙整体呈电中性，孤立黑洞无法长时间保持电荷。这里其实对双黑洞带电的要求也不高，以GW 150914成协事件为例，只需其中至少一个黑洞带有临界电荷（也就是能够与质量一样明显变更时空曲率的电荷，相当于）的万分之一到十万分之一即可（嗯，这篇论文在摘要和总结部分说是万分之一到十万分之一，中间又说是10-15即可，到底应该是多少，迷惑了……）。
只要满足这样的带电条件，螺旋靠近的双黑洞就会生成一个与轨道面方向垂直的磁偶极分量，并让陷入磁场中的伽玛光子转化为正负电子对被加速，经由非热辐射机制再转化为光子，驱动磁层的形成，具备与脉冲星类似的行为。只是这对黑洞的质量远大于单颗脉冲星，磁层风的强度也更大，这样就有望在并合之前激发出可以被探测到的短暂脉冲信号。不过考虑辐射区的结构导致的时间延迟，我们接收到的电磁脉冲是晚于引力波的。与普通伽玛暴能量集中于喷流之中不同，这种机制形成的爆发是近似各向同性的，而且其辐射光度与黑洞质量无关，只受制于电荷和磁场特性。因此倘或未来每次引力波信号都伴以强度与并合黑洞质量无关的伽玛暴，将为这一理论提供很好的佐证。
喂喂，由大质量恒星坍缩形成双黑洞并产生引力波事件兼短暴，目前这只是一种粗糙的理论模型而已，尚待探讨的细节还有很多，别报道得那么确定好吗！标题里加个“或许”会死啊！
最后需要指出的是，现在上述理论都还只是定性探讨而已，其中的细节有待未来的实际观测与模拟工作详细研究。另外还有一点要特别说明：就算双黑洞并合能够产生短暴，也不能咬定所有短暴都是经由这样的渠道形成的。比如与kilonova成协的短暴就必须要借助中子星的参与，单凭黑洞无论如何也是无能为力的。真实的短暴成因可能要比最初的设想更复杂，如果未来有足够多的成协引力波探测，短暴起源以及分类之谜有望得以解开，但考虑aLIGO只具备探测近距离短暴的成协引力波事件的能力，这一天的到来可能还要等待很久。
当然，说了这么多，以上模型都是存在一个默认前提的，也就是GW 150914的确与GBM发现的这个信号成协。但无论是aLIGO还是GBM，定位精度都不是很高。尤其是前者，只能说明接收到的引力波来自南天一处面积约合600平方度的弧形天区内；而GBM这次也蛮诡异，虽然信号在时间上与引力波符合得非常好，但结合12架NaI和两架BGO探测器的数据，其最佳拟合方位却是来自地球的，只是误差很大，并不排除源于天空的可能性。更可怕的是，GBM所有14架探测器中，当时正指aLIGO误差框天区的那几台接收到的光子计数反而较偏轴观测的更少。Connaughton et al. (2016)也承认，考虑伽玛暴的爆发率等因素后，GBM这次探测与GW 150914完全无关的概率是0.22%，略强于3σ水平，这是一个说高不高说低不低的数字。
aLIGO对GW 150914的定位区间与费米卫星GBM仪器视场的比较，其中灰色区域表示当时费米视场中被地球遮住的天区，粉色表示GBM覆盖的范围。（图片来源：Connaughton et al. 2016）
所以也就有人置疑这种成协探测的真实性。比如Maxim Lyutikov（对，就是那个曾经因为跟导师的私人恩怨三审给本人的某篇论文拒稿，还在某次会议上被某宗师点名勒令离场的Lyutikov！）就认为，一来0.22%的可能性不能被完全无视，二来为达到GBM观测到的信号光度，假设伽玛暴喷流是由黑洞的Blandford-Znajek效应射出的，那么黑洞的磁场需要达到不现实的1012高斯甚至更强，对应的电荷也在惊人的1016库仑量级，由此这只是一次伪成协，不足为凭。不过鉴于此公一向喜好砸场踢馆乃至无理取闹，其他同行对这一分析结果评价如何，还有待进一步观望。
