看待宇宙全新方式：引力波或可解決六大宇宙問題

17世紀(jì)末，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，有質(zhì)量的物體就有這種引力；20世紀(jì)初，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，提出引力其實(shí)是質(zhì)量引起的時(shí)空變形；2012年，歐洲核子研究中心通過大型強(qiáng)子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，解釋了粒子為何會(huì)有質(zhì)量，將希格斯場、質(zhì)量和時(shí)空聯(lián)系在一起。

 

如今，人類首次探測到了引力波——由兩個(gè)黑洞撞在一起而產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，不僅證實(shí)了愛因斯坦近百年前對引力波的預(yù)測，還有更重要的意義。用斯蒂芬·霍金的話說，引力波提供了一種人們看待宇宙的全新方式。

 

最近，《自然》雜刊發(fā)的一篇文章，講解了人類借助引力波或可解決的六大宇宙問題。

 

黑洞真的存在嗎？

 

激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)探測到黑洞合并，一個(gè)重要的科學(xué)意義就是證實(shí)了黑洞確實(shí)存在，至少是一種完美的圓形物體，由純真空的、彎曲的時(shí)空構(gòu)成，像廣義相對論預(yù)測的那樣。天文學(xué)家已有了大量關(guān)于黑洞的證據(jù)，但以往的證據(jù)都來自對恒星和超熱氣體的觀察，而非來自黑洞本身。

 

美國普林斯頓大學(xué)廣義相對論模擬專家弗朗斯·普雷托里烏斯說：“科學(xué)界對黑洞已經(jīng)非常厭倦了，包括我自己在內(nèi)，我們認(rèn)為它是理所當(dāng)然存在的。但你想一想，這個(gè)預(yù)測是多么驚人，我們也確實(shí)需要驚人的證據(jù)。”

 

LIGO的信號提供了這一證據(jù)——也證實(shí)了兩個(gè)黑洞的合并過程與預(yù)測一致。當(dāng)兩個(gè)黑洞開始互相靠近時(shí)，以引力波的形式輻射能量。LIGO探測到了這些波獨(dú)特的聲音，就像小鳥唱歌，科學(xué)家稱之為“啁啾”，這讓科學(xué)家能檢測兩個(gè)涉事黑洞的質(zhì)量：一個(gè)約為太陽質(zhì)量的36倍，另一個(gè)約29倍。

 

接下來，黑洞融合在了一起。它們合并后會(huì)變成一個(gè)完美的球形，但一開始，就像LIGO看到的那樣，以一種逐漸衰減的漣漪形式輻射出引力波。

 

引力波以光速傳播嗎？

 

當(dāng)科學(xué)家開始把來自LIGO的觀測與其他類型望遠(yuǎn)鏡看到的結(jié)果比較時(shí)，首先要檢查的一件事就是，這些信號是否同時(shí)到達(dá)。

 

物理學(xué)家猜測，引力是以一種名為“引力子”的微粒形式傳播的，就像光子那樣。如果引力子像光子，那它就沒有質(zhì)量，引力波就會(huì)以光速傳播，符合廣義相對論中對引力波速度的預(yù)測。引力波速度會(huì)受宇宙加速膨脹的影響，但要在極遠(yuǎn)距離才能顯出這種影響，以LIGO的探測距離影響可以忽略。

 

但引力子有微小質(zhì)量也是可能的，這意味著引力波的速度小于光速。如果這樣，LIGO和Virgo探測到的引力波到達(dá)地球所花的時(shí)間，會(huì)比其他傳統(tǒng)天文臺(tái)探測到的同一事件中發(fā)出的γ射線到達(dá)地球的時(shí)間要長一點(diǎn)，這將對基礎(chǔ)物理學(xué)產(chǎn)生重大影響。

 

時(shí)空由宇宙弦構(gòu)成嗎？

 

如果科學(xué)家探測到的引力波來自宇宙弦，那會(huì)帶來更奇怪的發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家假設(shè)，宇宙弦是時(shí)空彎曲中的缺陷，無比纖細(xì)卻延伸至整個(gè)宇宙那么遠(yuǎn)，它們可以與弦理論有關(guān)，也可以無關(guān)。研究人員預(yù)測，如果宇宙弦確實(shí)存在，它們可能偶爾紐結(jié)在一起，如果一根弦斷了，就會(huì)突然釋放出一陣引力波，然后被LIGO和Virgo等探測器檢測到。

 

中子星凹凸不平嗎？

 

中子星是較大恒星在自身重力作用下坍縮后的殘骸，它們的密度極大，以至于自身的電子和質(zhì)子融合成為中子。人們對這種極端物理學(xué)還知之甚少，但引力波為研究這些現(xiàn)象打開了獨(dú)特的視窗。比如，中子星表面強(qiáng)大的引力傾向于把它們變成近乎完美的球形，但一些研究人員認(rèn)為，它們的表面仍可能有“高山”——雖然只有幾毫米高，卻讓直徑只有10公里左右的中子星變得略微不勻稱。中子星通常旋轉(zhuǎn)得極快，這種不對稱的質(zhì)量分布會(huì)讓時(shí)空變形，產(chǎn)生持續(xù)的正弦引力波信號、輻射能量，并減緩中子星的旋轉(zhuǎn)速度。

 

互相環(huán)繞的一對中子星也會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的信號。這些星體也像黑洞那樣，螺旋環(huán)繞最終融合，但它們會(huì)變成什么樣卻可能與黑洞大不相同。普雷托里烏斯說：“這有很多可能性，取決于它們的質(zhì)量和中子物質(zhì)產(chǎn)生的壓力。”比如合并后可能是一個(gè)巨大的中子星，也可能立刻坍縮成一個(gè)黑洞。

 

什么原因造成了恒星爆發(fā)？

 

當(dāng)大質(zhì)量恒星不再發(fā)光，向內(nèi)部坍縮時(shí)，會(huì)形成黑洞和中子星。天體物理學(xué)家認(rèn)為，就是這一過程為II型超新星爆發(fā)提供了能量。單靠模擬這種超新星爆發(fā)還無法解釋清楚是什么點(diǎn)燃了它們，根據(jù)預(yù)測，真實(shí)的超新星爆發(fā)會(huì)產(chǎn)生引力波，傾聽這些引力波有望找到答案，研究爆發(fā)的波形、聲音大小、頻率及其與超新星爆發(fā)的關(guān)系，這些數(shù)據(jù)有助于檢驗(yàn)現(xiàn)有的各種模型。

 

宇宙膨脹速度有多快？

 

宇宙膨脹意味著，正在遠(yuǎn)離我們銀河系的物體看起來比實(shí)際更紅，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光在傳播過程中被拉長了，通過比較這種星系紅移和它們與我們的距離，能估算出宇宙的膨脹速度。但這種距離通常用Ia型超新星爆發(fā)的亮度來計(jì)算——這種方法有很大的不確定性。

 

如果全世界多個(gè)引力波探測器探測到了來自相同中子星合并的信號，結(jié)合在一起就能估算出信號的絕對音量，揭示合并發(fā)生離我們有多遠(yuǎn)，估計(jì)信號來自哪個(gè)方向，推導(dǎo)出發(fā)生合并的是哪個(gè)星系。將星系紅移與通過引力波測出的合并距離相比，能獨(dú)立估算出宇宙膨脹的速度，還可能比現(xiàn)有方法得到的數(shù)據(jù)更加精確。