引力波帶來(lái)的新成果

編譯 高原興 謝懿

2017年10月，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了推動(dòng)引力波探測(cè)的三位物理學(xué)家。100多年前，愛(ài)因斯坦就預(yù)言了引力波；100多年后，這一頒獎(jiǎng)為艱難的引力波探尋之旅畫(huà)上了完美的句號(hào)。

事實(shí)上，這既是結(jié)束，也是開(kāi)始。如果傳統(tǒng)天文學(xué)是觀看宇宙，那么引力波天文學(xué)則是聆聽(tīng)宇宙。作為時(shí)空的漣漪，引力波的發(fā)現(xiàn)賦予了天文學(xué)家一種全新的感知手段，能為認(rèn)識(shí)宇宙提供大量的信息。

在這之后短短的幾年內(nèi)，伴隨著探測(cè)到眾多的引力波事件，一個(gè)此前未知的宇宙也逐漸露出了端倪。引力波正在揭示宇宙中最另類(lèi)天體的紛繁多樣性，展示恒星死亡的嶄新細(xì)節(jié)，解開(kāi)長(zhǎng)期以來(lái)宇宙中黑洞星族的謎團(tuán)。此外，也許很快就會(huì)探測(cè)到一種全新的引力波，它可以揭秘一些在大爆炸余波中形成的神秘天體。

巨型鵝卵石

把鵝卵石扔到池塘里，水波會(huì)以同心圓的方式向外擴(kuò)散。引力波與此類(lèi)似，但不同于鵝卵石和水，需要由諸如黑洞這樣的大質(zhì)量運(yùn)動(dòng)天體來(lái)攪動(dòng)時(shí)空，由此泛起的漣漪才會(huì)在三維空間中向外傳播。引力波曾是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論最后幾個(gè)未經(jīng)證實(shí)的預(yù)言之一，也是大批科學(xué)家耗費(fèi)幾十年試圖探測(cè)它的原因。

為此，美國(guó)建造了兩臺(tái)巨大的儀器，統(tǒng)稱(chēng)為激光干涉引力波天文臺(tái)。這兩臺(tái)探測(cè)器會(huì)從中心朝幾千米外、兩個(gè)不同方向上的鏡面發(fā)射精密的激光。這兩束激光所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)度相同，當(dāng)它們返回原點(diǎn)時(shí)，所出現(xiàn)的任何細(xì)微差異都表明其穿過(guò)的空間發(fā)生了變化，暗示可能有途經(jīng)地球的引力波在拉伸和擠壓時(shí)空。

由于引力波造成的空間變化遠(yuǎn)小于亞原子粒子的大小，因此探測(cè)它們絕非易事。但激光干涉引力波天文臺(tái)成功了。今天，還有其他三臺(tái)類(lèi)似的探測(cè)器，分別是位于意大利的室女座引力波天文臺(tái)、日本的神岡引力波探測(cè)器以及德國(guó)的600米臂長(zhǎng)激光干涉引力波探測(cè)器。

引力波探測(cè)突破性成功的最大意義在于，為研究難以觀測(cè)的黑洞提供了一種手段。不同于恒星或行星，黑洞不會(huì)直接發(fā)出或反射光線。但它們有時(shí)會(huì)相互碰撞，在時(shí)空結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生引力波。引力波探測(cè)器能通過(guò)獨(dú)有的方式來(lái)探測(cè)黑洞，完全不同于接收電磁波的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡。

起初，第一次聽(tīng)到黑洞碰撞的啁啾聲著實(shí)令人興奮不已。但隨著探測(cè)的深入，到2021年11月，觀測(cè)到的引力波事件數(shù)已達(dá)90個(gè)。有如此之多的引力波觀測(cè)數(shù)據(jù)在手，人類(lèi)邁入了一個(gè)新的時(shí)代，可以了解宇宙在最大尺度上是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的。

有別于其他任何天體，黑洞更能反映出宇宙的歷史。它們大小各異，在整個(gè)宇宙進(jìn)程中可通過(guò)不同的方式形成。恒星質(zhì)量黑洞誕生于大質(zhì)量恒星的死亡，其質(zhì)量從太陽(yáng)的幾倍到幾十倍不等。超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量則是太陽(yáng)的幾百萬(wàn)到數(shù)十億倍。它們位于星系中心，被認(rèn)為是由較小的黑洞合并而成的。

中子星與黑洞

然而，眼下對(duì)這些黑洞的生長(zhǎng)以及相互關(guān)系仍知之甚少。最小黑洞和最大中子星之間的質(zhì)量間隙便是一個(gè)重大謎題。作為死亡恒星的坍縮核心，中子星是宇宙中密度第二高的天體。即便是極少量的中子星物質(zhì)也可達(dá)幾億噸。一般認(rèn)為，當(dāng)中子星密度達(dá)到臨界點(diǎn)，就會(huì)坍縮成黑洞。若是如此，質(zhì)量最小的黑洞應(yīng)該與質(zhì)量最大的中子星質(zhì)量相同。

然而，所見(jiàn)卻并非如此。早在引力波被探測(cè)到之前，就有辦法來(lái)估算黑洞和中子星的質(zhì)量。結(jié)果表明，質(zhì)量最大的中子星質(zhì)量不超過(guò)太陽(yáng)2倍，而質(zhì)量最小的黑洞則不低于太陽(yáng)的5倍。缺失質(zhì)量在太陽(yáng)2～5倍區(qū)間的天體引發(fā)了對(duì)中子星認(rèn)識(shí)是否存在嚴(yán)重問(wèn)題的爭(zhēng)論。

在激光干涉引力波天文臺(tái)運(yùn)行后的前幾年，并未在該“質(zhì)量間隙”中發(fā)現(xiàn)任何天體。但隨著后期數(shù)據(jù)的發(fā)布，情況發(fā)生了改變。目前已探測(cè)了至少兩起黑洞吞噬某個(gè)較小天體的事件。雖然還不能確定該較小的天體是一個(gè)黑洞還是一顆中子星，但它的質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)的2.6倍，正好位于質(zhì)量間隙內(nèi)。此外，激光干涉引力波天文臺(tái)還觀測(cè)到了第三起黑洞與2.1倍太陽(yáng)質(zhì)量中子星并合的事件。與此同時(shí)，利用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量為太陽(yáng)2.19倍的中子星。

這些觀測(cè)結(jié)果表明，質(zhì)量間隙可能只是一個(gè)觀測(cè)偏倚。激光干涉引力波天文臺(tái)擅長(zhǎng)探測(cè)質(zhì)量更大的天體。相較于5倍于太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，對(duì)它而言探測(cè)30倍于太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞會(huì)更加得心應(yīng)手。處于質(zhì)量間隙的天體也許就在那里，只不過(guò)很難被發(fā)現(xiàn)。在升級(jí)后，激光干涉引力波天文臺(tái)對(duì)較小質(zhì)量天體的探測(cè)靈敏度將有所提升。

在最新的數(shù)據(jù)中，與最大恒星質(zhì)量黑洞有關(guān)的發(fā)現(xiàn)同樣令人驚訝。迄今所發(fā)現(xiàn)質(zhì)量最大的恒星約為太陽(yáng)的200多倍。當(dāng)它們死亡時(shí)，爆炸威力極為強(qiáng)勁，不會(huì)留下任何東西，甚至連黑洞也不會(huì)形成。事實(shí)上，根據(jù)目前對(duì)此類(lèi)事件的認(rèn)識(shí)，無(wú)論恒星的質(zhì)量有多大，通過(guò)超新星爆發(fā)形成的黑洞其質(zhì)量都不會(huì)超過(guò)太陽(yáng)的45倍。

然而，在引力波事件中所探測(cè)到黑洞的質(zhì)量普遍在60倍太陽(yáng)質(zhì)量以上。即便考慮了激光干涉引力波天文臺(tái)自身對(duì)大質(zhì)量天體探測(cè)的偏倚，這些大質(zhì)量黑洞的數(shù)量也超出了預(yù)期。這表明，對(duì)超新星的認(rèn)識(shí)可能有誤，或者黑洞可以通過(guò)相互并合生長(zhǎng)到如此大的質(zhì)量。

利用引力波來(lái)研究質(zhì)量達(dá)太陽(yáng)數(shù)百萬(wàn)倍的超大質(zhì)量黑洞，可以揭示更多的宇宙歷史。幾乎每個(gè)星系的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。只有通過(guò)小型星系之間和黑洞之間的并合才能形成今天所見(jiàn)的超大質(zhì)量黑洞。但目前還沒(méi)辦法回溯到足夠久遠(yuǎn)的時(shí)間來(lái)見(jiàn)證這一切的發(fā)生。

超大質(zhì)量黑洞間的碰撞會(huì)發(fā)出引力波。但這些碰撞事件實(shí)則極為罕見(jiàn)。由于軌道速度很小，其所發(fā)出引力波的頻率會(huì)比目前所能探測(cè)到的更低。除非能被送入太空，否則地面探測(cè)器并不具備足夠的靈敏度來(lái)探測(cè)這些引力波。

不過(guò)，還有另一種方法。在并合前，相互繞轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞會(huì)發(fā)出微弱的引力波。雖然一個(gè)這樣的系統(tǒng)所發(fā)出的引力波微不足道，但把宇宙中所有其他黑洞發(fā)出的引力波疊加之后，就形成了一個(gè)貫穿宇宙的引力波背景。

這個(gè)背景實(shí)際上比目前已探測(cè)到的引力波信號(hào)強(qiáng)100萬(wàn)倍以上，但其整個(gè)波動(dòng)周期卻長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。要探測(cè)它就必須在好幾年的時(shí)間里測(cè)量一個(gè)振幅遠(yuǎn)小于原子直徑的振蕩信號(hào)。這體現(xiàn)了引力波背景自身的獨(dú)特性質(zhì)。

北美納赫茲引力波天文臺(tái)項(xiàng)目旨在探測(cè)這個(gè)引力波背景信號(hào)。該項(xiàng)目使用了傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)監(jiān)測(cè)快速自轉(zhuǎn)的脈沖星。就像燈塔，脈沖星在自轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)有規(guī)律地發(fā)出射電波束，可以充當(dāng)極其穩(wěn)定的時(shí)鐘。10年來(lái)，該項(xiàng)目一直在對(duì)天空中幾十顆脈沖星進(jìn)行計(jì)時(shí)測(cè)量。在它們的信號(hào)中出現(xiàn)的任何微小差異都可能是存在引力波背景的跡象。

黑洞啟示

2021年，北美納赫茲引力波天文臺(tái)公布了對(duì)45顆脈沖星近13年觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。其中可能包含了引力波背景的信號(hào)，但尚無(wú)法最終確定。與歐洲和澳大利亞的另外兩個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣聯(lián)合，三方構(gòu)建了國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣合作項(xiàng)目。在2022年初宣布的綜合數(shù)據(jù)中，這個(gè)信號(hào)依然存在，佐證了其真實(shí)性。

然而，即便引力波背景真的存在，也不可能由此推斷出任何關(guān)于單個(gè)超大質(zhì)量黑洞的信息。相反，根據(jù)超大質(zhì)量黑洞不同的星族和并合率，天文學(xué)家用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬引力波背景信號(hào)。通過(guò)比較理論模型和測(cè)量數(shù)據(jù)，就能夠推斷出宇宙中黑洞的種類(lèi)。

如果模型無(wú)法與數(shù)據(jù)相吻合，將意味著不得不引入另一種黑洞來(lái)解釋這一差異。

一些觀點(diǎn)認(rèn)為，在宇宙大爆炸的最初幾秒內(nèi)，空間密度的漲落可能會(huì)形成微型黑洞。這些原初黑洞是否存在過(guò)，或者現(xiàn)在是否仍然存在，還遠(yuǎn)無(wú)法確定。但如果回答是肯定的，原初黑洞可以為多個(gè)宇宙學(xué)問(wèn)題提供優(yōu)雅的解答。最吸引人的是，原初黑洞可以充當(dāng)暗物質(zhì)，后者是維系星系的不可見(jiàn)物質(zhì)成分。

在引力波背景中有可能區(qū)分一般黑洞和原初黑洞，興許可以為后者存在與否提供首個(gè)確鑿的證據(jù)。

但首要任務(wù)是必須要先明確探測(cè)到引力波背景信號(hào)。為此，目前正在分析約60顆脈沖星另外3年的數(shù)據(jù)，由此應(yīng)該能確定是否真的探測(cè)到了引力波背景。正如首次探測(cè)到引力波所昭示的，對(duì)引力波背景的探測(cè)將會(huì)是全新科學(xué)的開(kāi)始。

資料來(lái)源 New Scientists