爱因斯坦的广义相对论预言：引力波的主要性质有：在真空中以光速传播；携带能量和与波源有关的信息；是横波，在远源处为平面波；最低次为四极辐射；辐射强度极弱；物质对引力波吸收效率极低，引力波穿透性极强，地球对引力波几乎是透明的；其偏振特性为两个独立的偏振态等。引力波是波动形式和有限速度传播的引力场。
爱因斯坦虽然在1916年曾预言加速的质量可能有引力波存在，但他提出的引力波与坐标的选取有关，在某一个参考系看来，引力波可能有能量，而换一个参考系可能就没有。因此在提出引力波存在的初期，包括爱因斯坦本人在内的大多数人对引力波都持怀疑态度。1956年，皮拉尼提出一个与坐标系选取无关的引力波定义；1957年，邦迪进而从理论上证明与坐标系选取无关的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和罗宾森更进一步证明，静止物体在引力波脉冲作用下会产生运动，于是间接地证明引力波携带能量，并可被探测到。由于引力辐射极其微弱，目前还不能在实验室里发射可供探测的引力波，而大质量天体的激烈运动，比如双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。
多年来，各国科学家都在致力于探测引力波，美国马里兰大学的科学家韦伯首创用一根铝棒作为天线进行探测，并声称探测到了不能排除是引力波的信号，但其他科学家都没有得到这一结果，韦伯的结论没有得到公认。现在对引力波的研究方兴未艾，反引力或称反重力研究又提上了日程，这项研究可能获得的成果或许将彻底实现人类实现恒星际航行的梦想，科学家值得为这项研究投入毕生的精力和才华。中国科学家在这方面已经做了有价值的实验和研究。
自从英国科幻小说作者威尔斯描述了“反重力”（能够屏蔽重力影响，使宇宙飞船飞向月球）后，反重力已经成为人类一个多世纪的梦想。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过从引力场中获取的能量驱动。这一会改变世界科学界和航空航天界禁忌的反重力研究，目前再次受到人们的关注，因为有消息说世界上最大的飞机制造商波音公司正在探索一些新概念，这些新概念可能在将来某一天彻底改变一个世纪来的推进技术。
波音公司进行的反重力研究概括起来就是该公司一个名为“先进空间推进技术重力研究（Grasp）”的项目。《简氏防务周刊》获得的一份有关文件阐述了波音公司认为该项目获得成功的重大意义。文件中写道：“如果反重力是确实存在的，它必将改变整个航空航天事业。”这种评价可能还不够。如果反重力是确实存在的，它必将改变整个世界。汽车、火车、轮船，所有你能想到的交通系统，都能通过“无推进剂推进”———一种从重力场中获取能量的模式来驱动。
尽管，反重力是人们一个美好的梦想，但是传统科学长期认为，反重力是不可能的。1992年4月，已故的英国索尔福德大学教授、当时担任英国航天防御系统战略项目负责人的布赖恩·扬在伦敦机械工程师学会发表演讲，他在演讲中解释了为什么进行反重力研究与航空航天业乃至世界都有关。“Grasp”简报说明了波音公司为什么必须雇佣俄罗斯材料专家叶夫根尼·波德克列特诺夫的原因。波德克列特诺夫声称发明了可以屏蔽重力影响的装置。
1992年，任职于芬兰坦佩雷技术大学的波德克列特诺夫向一家英国物理学杂志提交了一篇论文，他描述了被置于高速旋转的超导体（极低温度时失去电阻）上面的一个物体如何失去将近2％的重量。这篇论文泄漏给了一家报纸。一来因为它涉及禁忌的“反重力”概念，二来因为它在主流物理界掀起了轩然大波，波德克列特诺夫被学校开除了。但这位俄罗斯人的研究吸引了美国国家航空航天局的注意，该局早已同亨茨维尔亚拉巴马大学的一位研究员有联系，这位研究员宣称她能制造出一种类重力场，能够利用高速旋转超导体排斥或吸引物体。
在20世纪90年代中期，位于亚拉巴马州的美国国家航空航天局马歇尔航天中心在重复波德克列特诺夫的实验时失败了。但是，该中心承认，不知道这位俄罗斯人制作超导盘的独特方法，它在很大程度上是在盲目地进行研究。
几年前，美国国家航空航天局向俄亥俄州哥伦布超导元件公司支付60万美元，制造波德克列特诺夫曾使用过的装置，并且聘请了这位俄罗斯人做顾问。这项实验虽然被延期了，但该项实验的负责人罗恩·科措尔自信实验可以完成。现任职于莫斯科化学研究中心的波德克列特诺夫，进一步发展了自己的思想。他同意大利科学家乔瓦尼·莫达内塞联合发表了一篇论文，详细介绍了一种“冲量重力发生器”的研究工作，它能对所有物体产生一种斥力。该设备使用一个强放电源“发射器”和一个超导“发射器”，制造出了一种“重力冲量”。波德克列特诺夫说：“时间很短，沿着放电的线路以极快的速度（实际上是瞬时）进行传播，经过许多不同物体，没有任何显著的能量损失。”他说，实验结果是对光束击中的任何物体都产生了推力作用，大小同物体质量成正比。波德克列特诺夫在调整一个激光瞄准装置时说，他的实验装置已经显示有能力击倒1公里外的物体，他声称，这一装置用同样的能量可以击倒200公里外的物体。正是波德克列特诺夫的“冲量重力发生器”的研究工作引起了波音公司的注意。在那份“Grasp”简报中，波音公司描述了该装置发出的光束如何不受任何电磁屏蔽影响，可以穿透任何物体而达到目标。
这篇文章是《天文文献阅读》课程最后的一次作业，作业要求全英写4页的论文，论文格式要符合天文期刊的格式要求。老师给的模板是PRB期刊文章要求的格式。
有次开组会时，老师在组会上便讲了一些科研写论文的心得。老师说：因为刚开始写论文的时候，最关键的是如何流畅的写出自己想表达的内容，因为我们从小学习的就是中文，最好先用中文写一遍。感觉自己想表达的东西都写出来时，再考虑把文章译成英文。
刚好借助，用这篇文章来梳理一下自己的思路。
现在一般认为，几乎所有的大质量的星系（ ）中央都有一个超大质量的黑洞(Supermassive Black Holes)存在。如，长期对银河系中心的恒星运动观测表明，在银河系的中心纯在这一个质量为4百万倍太阳质量的黑洞。对新视界望远镜对M87的成像观测表明，M87星系中心有一颗质量为6.5亿倍太阳质量的黑洞存在。对X-ray双星系统的研究，以及2015年第一次接收到引力波信号都表明，这些系统中存在一颗或者多个质量为几到10倍太阳质量的黑洞，也称为恒星级质量黑洞(Stellar-mass Black Holes)。对于恒星级黑洞的形成，在理论上有着很完美的解释：是大质量恒星（10个太阳质量及以上）塌缩后的产物。然而，对于超大质量黑洞是如何形成？超大质量黑洞如何跟宿主星系相互作用？在研究星系的形成和演化时，仍是最基本的问题。
一般认为，超大质量黑洞与其宿主星系之间存在着共同演化。在观测上，超大质量黑洞质量与宿主星系的恒星速度弥散有着很强的相关性，是上面想法一个强有力的证据。如果，超大质量黑洞与宿主星系存在着共同演化，这暗示着在演化早期，存在超大质量黑洞的种子黑洞(Black Holes seeds)。
对于种子黑洞的形成机制，目前主流的解释有两种。一种理论认为：种子黑洞来自于第一代大质量恒星的塌缩(Population 3 star，星族3)，在大质量恒星塌缩后形成的遗迹中，轻种子黑洞(light Black Holes seeds )通过断断续续的超爱丁顿吸积率过程会增长到超大质量黑洞( )。但是这种过程可能要持续几亿年。
ULAS J1342+0928，红移z=7.54， ，是目前已知红移最高的类星体。在宇宙大爆炸(Big Bang) 700Myr后，发现这么高红移的类星体，且黑洞质量如此之大，一直困扰着天文学家几十年。
这些如此重的黑洞在宇宙早期是如何形成的？
根据黑洞增长模型， ，如果该黑洞的种子黑洞一直处于爱丁顿吸积率状态，即使种子黑洞在红移z=40处，也需要质量在1000个太阳质量以上。这明显跟模型对早期黑洞的形成机制相悖，所以我们不得不对黑洞的增长模型做出新的思考。另一种解释认为，种子黑洞应该来自于更重的小黑洞(massive Black Holes seeds)，这种类型的黑洞由早期气体云团的直接塌缩或者来自于致密大质量恒星团的碰撞形成。如果根据这种黑洞增长机制，对于观测已知的高红移超大质量黑洞，其种子黑洞( )可以在短时标、低于爱丁顿吸积率以下，增长到 。图1给出了种子黑洞的形成与演化(来自Mar Mezcua et al. 2019)。
在现有的天文观测设备条件下，直接探测如此高红移的黑洞的种子黑洞(宇宙早期的种子黑洞)是极具挑战性的。已经有许多对红移高于5的类星体的研究，即使在最深的X-ray观测中也没有探测到有AGN信号的存在。无论怎样，我们对高红移的黑洞的认知仅限于极高亮度的类星体和块头极大的黑洞。
根据宇宙学演化模型，在宇宙极早期形成的种子黑洞，有一部分没有参与跟其他黑洞的融合，或者吸积过程不是很强烈，这些种子黑洞没有增长为超大质量黑洞。在局地宇宙中，这些种子黑洞应该藏匿在矮星系中。
另外一种寻找早期宇宙中的种子黑洞的替代方法就是在近邻宇宙矮星系中寻找。一般认为，矮星系是没有明显的吸积与并合过程，因此没有明显的增长，与早期宇宙中原始的星系很像。模拟结果表明，如果种子黑洞是来自于星族3类型的恒星塌缩，在今天的矮星系中应该有很大一部分星系中有 轻BHs(100-1oooM_{sun}) ；如果种子黑洞是来自于气体团的直接塌缩，有一小部分的矮星系中存在 重BHs( )*。因此，如果通过对矮星系中得到这两类黑洞的占比，是我们理解早期宇宙中种子黑洞如何增长为超大质量黑洞的关键。图2给出了light seeds 和 heavy seeds 的占比(来自 Volonteri et al. (2008b) and van Wassenhove et al. (2010))。
目前为止已经有几百个有IMBH吸积活动的矮星系候选源(M_{BH} )，通过对这些候选源的统计研究表明，种子黑洞更偏向于来自气体云团的直接塌缩过程。支持这一结论是气体直接塌缩形成的种子黑洞，在矮星系中（低质量端）有着很好的 关系。
本文主要介绍对于IMBH的观测研究。第一章介绍如何在局地宇宙中寻找中等质量黑洞。第二章给出结论。
中等质量黑洞( )，是超大质量黑洞与恒星质量黑洞缺失的link。已经有很多研究来确定IMBHs的存在。NGC4395是第一个被证认存在AGN的矮星系(Filippenko & Sargent 1989)；在矮星爆星系Henize 2-10中通过多波段证认有一个 黑洞(Reines)；在高速运动致密的云团HVCC CO-0.40-0.22中可能存在一个 黑洞。在今天近邻宇宙矮星系( )中寻找IMBH，研究它们的特征，对理解矮星系和种子黑洞的形成很重要。
通过测量恒星或者气体的速度来寻找黑洞，是最有说服力的方法。如通过对银河系中心恒星运动的近20年观测，我们知道在银河系中心有一个质量为 的黑洞存在。对M87星系的气体成像研究，其星系中央有一颗质量为 的黑洞。然而，目前而言，通过动力学方法搜索黑洞，尤其是搜索近邻矮星系中的黑洞，有着很大的局限性。当矮星系距离超过Local Group，其中心的中等质量黑洞的引力效应将不可分。表1给出含有中等质量黑洞的矮星系候选源。所以目前根据黑洞的吸积效应（AGN特征）来研究更远的矮星系。
如果一个星系含有一个大质量、有吸积活动的黑洞( )，并且吸积率高于 ，则称其为活动星系核(AGN)。AGN在全电磁波段都有辐射。如果一个星系有着明显的AGN特征，一般认为其星系中心有一个大质量的黑洞存在。
NGC4395是第一个被发现有AGN特征的矮星系。
NGC4395是一个晚型的矮螺旋星系，星系恒星质量为 并且有着明显的AGN特征，有高电离的窄发射线和宽巴尔末线，而且有致密的射电喷流结构和X-ray的变化。其中心黑洞质量为 ， ，满足 关系。
Reine(et al. 2011)发现在矮星爆星系Henize 2-1o中存在一个大质量的黑洞(2\times10^6M_{sun})。Henize 2-10在光学波段被归类为恒星形成星系，然而通过VLA和Chandra(钱德拉望远镜)观测，星系中心处有致密的射电源和X-ray发射线，这些观测证据强力的表明该星系中心有一个大质量的黑洞存在。在随后的VLBI观测中，探测到一个角秒尺度、非热射电核，更近一步证明了上述的结论。Henize 2-10是一个低光度核区、爱丁顿吸积率很低、有明显的恒星形成区域、没有吸积盘、没有光学核球区的矮星爆星系。
AGN中心黑洞的吸积过程会辐射出高能的光子，这些光子传播到尘埃时，会在红外波段有再辐射过程。因为红外波段的光子在传播过程中仅受到星系尺度的较小影响，因此红外观测是观测高红移处遮蔽或者未遮蔽AGN更加有效的手段。近红外选源依赖于源的颜色特征，因此，用红外颜色来选矮星系中有AGN的源更有挑战性。Sartori(et al. 2015)在利用WISE颜色选源时，通过Mid-IR颜色选取了189个候选源，但是只有4个源落在BPT图的AGN区域。因此在矮星系中，恒星形成过程在红外波段的辐射会更加明显污染AGN活动的红外特征，仅靠单一的WISE颜色标准在矮星系中选取AGN候选源是具有很大的挑战性的。
最近几十年，我们一直在努力给出AGN在矮星系中的特征。为了更好的种子黑洞的形成机制，我们需要更多能被认证有AGN活动的源。然而，自从第一个IMBH在NGC4395中认证，到目前为止含有AGN特征的矮星系仍然屈指可数。Reines(et al. 2013)给出151个矮星系有宽或窄线光谱特征。在目前天文望远镜的能力下，通过观测恒星或气体的运动特征，仍局限于本星系群以内。更远的源可以通过多波段的光谱特征，但是利用红外颜色选源仍需要找出更好的选源标准。希望下一代的天文望远镜能在多波段上给出更多的观测证据。
引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到 。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在 。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。
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书名：引力波
作者：珍娜·莱文
译者：胡小锐
豆瓣评分：6.9
出版社：中信出版集团股份有限公司
出版年份：2017-8-1
页数：312
内容简介：
十几亿年前，在浩瀚宇宙的某个时空，两个黑洞发生了碰撞。其中一个黑洞的质量是太阳的29倍，另一个是太阳的36倍，它们碰撞后合并成一个大黑洞，质量达到太阳的60倍。黑洞碰撞是宇宙起源以来威力最大的天文事件之一，释放出的能量超过1021个太阳。黑洞合并时，无数能量以引力波的形式，不停地向外传播，在时空中荡起层层涟漪。
1916年，阿尔伯特·爱因斯坦在一篇关于广义相对论的论文中预言了引力波的存在。2015年9月，引力波经过长达14亿光年的星际旅行来到了地球。
从伽利略用一架简陋的望远镜观察太阳开始，人类利用400多年来所拍摄的一系列静止的太空照片，汇编成一部讲述宇宙历史的无声电影。然而，所有望远镜都无法记录黑洞碰撞的过程，人类能够捕捉到的唯一线索可能就是时空振荡发出的声音。
作者简介：
珍娜·莱文（Janna Levin），美国哥伦比亚大学巴纳德学院的物理学和天文学教授，布鲁克林艺术与科学中心“先锋工厂”（Pioneer Works）的科学总监。
