引力波带来的新成果

　　高原兴 谢懿 斯图尔特·克拉克
　　通过观测和发现全新的引力波会有助于解开宇宙中最深奥的谜题。
　　2017 年 10 月，诺贝尔物理学奖授予了推动引力波探测的三位物理学家。100 多年前，爱因斯坦就预言了引力波；100 多年后，这一颁奖为艰难的引力波探寻之旅画上了完美的句号。
　　事实上，这既是结束，也是开始。如果传统天文学是观看宇宙，那么引力波天文学则是聆听宇宙。作为时空的涟漪，引力波的发现赋予了天文学家一种全新的感知手段，能为认识宇宙提供大量的信息。
　　在这之后短短的几年内，伴随着探测到众多的引力波事件，一个此前未知的宇宙也逐渐露出了端倪。引力波正在揭示宇宙中最另类天体的纷繁多样性，展示恒星死亡的崭新细节，解开长期以来宇宙中黑洞星族的谜团。此外，也许很快就会探测到一种全新的引力波，它可以揭秘一些在大爆炸余波中形成的神秘天体。
　　巨型鹅卵石
　　把鹅卵石扔到池塘里，水波会以同心圆的方式向外扩散。引力波与此类似，但不同于鹅卵石和水，需要由诸如黑洞这样的大质量运动天体来搅动时空，由此泛起的涟漪才会在三维空间中向外传播。引力波曾是爱因斯坦广义相对论最后几个未经证实的预言之一，也是大批科学家耗费几十年试图探测它的原因。
　　为此，美国建造了两台巨大的仪器，统称为激光干涉引力波天文台。这两台探测器会从中心朝几千米外、两个不同方向上的镜面发射精密的激光。这两束激光所经过的路径长度相同，当它们返回原点时，所出现的任何细微差异都表明其穿过的空间发生了变化，暗示可能有途经地球的引力波在拉伸和挤压时空。
　　由于引力波造成的空间变化远小于亚原子粒子的大小，因此探测它们绝非易事。但激光干涉引力波天文台成功了。今天，还有其他三台类似的探测器，分别是位于意大利的室女座引力波天文台、日本的神冈引力波探测器以及德国的600 米臂长激光干涉引力波探测器。
　　引力波探测突破性成功的最大意义在于，为研究难以观测的黑洞提供了一种手段。不同于恒星或行星，黑洞不会直接发出或反射光线。但它们有时会相互碰撞，在时空结构中产生引力波。引力波探测器能通过独有的方式来探测黑洞，完全不同于接收电磁波的传统望远镜。
　　起初，第一次听到黑洞碰撞的啁啾声着实令人兴奋不已。但随着探测的深入，到 2021 年 11 月，观测到的引力波事件数已达 90 个。有如此之多的引力波观测数据在手，人类迈入了一个新的时代，可以了解宇宙在最大尺度上是如何运转的。
　　有别于其他任何天体，黑洞更能反映出宇宙的历史。它们大小各异，在整个宇宙进程中可通过不同的方式形成。恒星质量黑洞诞生于大质量恒星的死亡，其质量从太阳的几倍到几十倍不等。超大质量黑洞的质量则是太阳的几百万到数十亿倍。它们位于星系中心，被认为是由较小的黑洞合并而成的。
　　中子星与黑洞
　　然而，眼下对这些黑洞的生长以及相互关系仍知之甚少。最小黑洞和最大中子星之间的质量间隙便是一个重大谜题。作为死亡恒星的坍缩核心，中子星是宇宙中密度第二高的天体。即便是极少量的中子星物质也可达几亿吨。一般认为，当中子星密度达到临界点，就会坍缩成黑洞。若是如此，质量最小的黑洞应该与质量最大的中子星质量相同。
　　然而，所见却并非如此。早在引力波被探测到之前，就有办法来估算黑洞和中子星的质量。结果表明，质量最大的中子星质量不超过太阳 2 倍，而质量最小的黑洞则不低于太阳的 5 倍。缺失质量在太阳 2 ～ 5 倍区间的天体引发了对中子星认识是否存在严重问题的争论。
　　在激光干涉引力波天文台运行后的前几年，并未在该＂质量间隙＂中发现任何天体。但随着后期数据的发布，情况发生了改变。目前已探测了至少两起黑洞吞噬某个较小天体的事件。虽然还不能确定该较小的天体是一个黑洞还是一颗中子星，但它的质量仅为太阳的 2.6倍，正好位于质量间隙内。此外，激光干涉引力波天文台还观测到了第三起黑洞与 2.1 倍太阳质量中子星并合的事件。与此同时，利用射电望远镜发现了一颗质量为太阳 2.19 倍的中子星。
　　这些观测结果表明，质量间隙可能只是一个观测偏倚。激光干涉引力波天文台擅长探测质量更大的天体。相较于5 倍于太阳质量的黑洞，对它而言探测30 倍于太阳质量的黑洞会更加得心应手。处于质量间隙的天体也许就在那里，只不过很难被发现。在升级后，激光干涉引力波天文台对较小质量天体的探测灵敏度将有所提升。
　　在最新的数据中，与最大恒星质量黑洞有关的发现同样令人惊讶。迄今所发现质量最大的恒星约为太阳的 200 多倍。当它们死亡时，爆炸威力极为强劲，不会留下任何东西，甚至连黑洞也不会形成。事实上，根据目前对此类事件的认识，无论恒星的质量有多大，通过超新星爆发形成的黑洞其质量都不会超过太阳的 45 倍。
　　然而，在引力波事件中所探测到黑洞的质量普遍在 60 倍太阳质量以上。即便考虑了激光干涉引力波天文台自身对大质量天体探测的偏倚，这些大质量黑洞的数量也超出了预期。这表明，对超新星的认识可能有误，或者黑洞可以通过相互并合生长到如此大的质量。
　　利用引力波来研究质量达太阳数百万倍的超大质量黑洞，可以揭示更多的宇宙历史。几乎每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。只有通过小型星系之间和黑洞之间的并合才能形成今天所见的超大质量黑洞。但目前还没办法回溯到足够久远的时间来见证这一切的发生。
　　超大质量黑洞间的碰撞会发出引力波。但这些碰撞事件实则极为罕见。由于轨道速度很小，其所发出引力波的频率会比目前所能探测到的更低。除非能被送入太空，否则地面探测器并不具备足够的灵敏度来探测这些引力波。
　　不过，还有另一种方法。在并合前，相互绕转的超大质量黑洞会发出微弱的引力波。虽然一个这样的系统所发出的引力波微不足道，但把宇宙中所有其他黑洞发出的引力波叠加之后，就形成了一个贯穿宇宙的引力波背景。
　　这个背景实际上比目前已探测到的引力波信号强 100 万倍以上，但其整个波动周期却长达数年。要探测它就必须在好几年的时间里测量一个振幅远小于原子直径的振荡信号。这体现了引力波背景自身的独特性质。
　　北美纳赫兹引力波天文台项目旨在探测这个引力波背景信号。该项目使用了传统的射电望远镜来监测快速自转的脉冲星。就像灯塔，脉冲星在自转时会有规律地发出射电波束，可以充当极其稳定的时钟。10 年来，该项目一直在对天空中几十颗脉冲星进行计时测量。在它们的信号中出现的任何微小差异都可能是存在引力波背景的迹象。
　　黑洞启示
　　2021 年，北美纳赫兹引力波天文台公布了对45颗脉冲星近13年观测数据的分析结果。其中可能包含了引力波背景的信号，但尚无法最终确定。与欧洲和澳大利亚的另外两个脉冲星计时阵联合，三方构建了国际脉冲星计时阵合作项目。在2022年初宣布的综合数据中，这个信号依然存在，佐证了其真实性。
　　然而，即便引力波背景真的存在，也不可能由此推断出任何关于单个超大质量黑洞的信息。相反，根据超大质量黑洞不同的星族和并合率，天文学家用计算机来模拟引力波背景信号。通过比较理论模型和测量数据，就能够推断出宇宙中黑洞的种类。
　　如果模型无法与数据相吻合，将意味着不得不引入另一种黑洞来解释这一差异。
　　一些观点认为，在宇宙大爆炸的最初几秒内，空间密度的涨落可能会形成微型黑洞。这些原初黑洞是否存在过，或者现在是否仍然存在，还远无法确定。但如果回答是肯定的，原初黑洞可以为多个宇宙学问题提供优雅的解答。最吸引人的是，原初黑洞可以充当暗物质，后者是维系星系的不可见物质成分。
　　在引力波背景中有可能区分一般黑洞和原初黑洞，兴许可以为后者存在与否提供首个确凿的证据。
　　但首要任务是必须要先明确探测到引力波背景信号。为此，目前正在分析约60颗脉冲星另外3年的数据，由此应该能确定是否真的探测到了引力波背景。正如首次探测到引力波所昭示的，对引力波背景的探测将会是全新科学的开始。
　　资料来源New Scientists
　　作者简介:斯图尔特·克拉克（Stuart Clark）是《新科学家》（New Scientist）杂志顾问