引力波帶來的新成果

編譯 高原興 謝懿

2017年10月，諾貝爾物理學獎授予了推動引力波探測的三位物理學家。100多年前，愛因斯坦就預言了引力波；100多年后，這一頒獎為艱難的引力波探尋之旅畫上了完美的句號。

事實上，這既是結束，也是開始。如果傳統天文學是觀看宇宙，那么引力波天文學則是聆聽宇宙。作為時空的漣漪，引力波的發現賦予了天文學家一種全新的感知手段，能為認識宇宙提供大量的信息。

在這之后短短的幾年內，伴隨著探測到眾多的引力波事件，一個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天體的紛繁多樣性，展示恒星死亡的嶄新細節，解開長期以來宇宙中黑洞星族的謎團。此外，也許很快就會探測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，水波會以同心圓的方式向外擴散。引力波與此類似，但不同于鵝卵石和水，需要由諸如黑洞這樣的大質量運動天體來攪動時空，由此泛起的漣漪才會在三維空間中向外傳播。引力波曾是愛因斯坦廣義相對論最后幾個未經證實的預言之一，也是大批科學家耗費幾十年試圖探測它的原因。

為此，美國建造了兩臺巨大的儀器，統稱為激光干涉引力波天文臺。這兩臺探測器會從中心朝幾千米外、兩個不同方向上的鏡面發射精密的激光。這兩束激光所經過的路徑長度相同，當它們返回原點時，所出現的任何細微差異都表明其穿過的空間發生了變化，暗示可能有途經地球的引力波在拉伸和擠壓時空。

由于引力波造成的空間變化遠小于亞原子粒子的大小，因此探測它們絕非易事。但激光干涉引力波天文臺成功了。今天，還有其他三臺類似的探測器，分別是位于意大利的室女座引力波天文臺、日本的神岡引力波探測器以及德國的600米臂長激光干涉引力波探測器。

引力波探測突破性成功的最大意義在于，為研究難以觀測的黑洞提供了一種手段。不同于恒星或行星，黑洞不會直接發出或反射光線。但它們有時會相互碰撞，在時空結構中產生引力波。引力波探測器能通過獨有的方式來探測黑洞，完全不同于接收電磁波的傳統望遠鏡。

起初，第一次聽到黑洞碰撞的啁啾聲著實令人興奮不已。但隨著探測的深入，到2021年11月，觀測到的引力波事件數已達90個。有如此之多的引力波觀測數據在手，人類邁入了一個新的時代，可以了解宇宙在最大尺度上是如何運轉的。

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，在整個宇宙進程中可通過不同的方式形成。恒星質量黑洞誕生于大質量恒星的死亡，其質量從太陽的幾倍到幾十倍不等。超大質量黑洞的質量則是太陽的幾百萬到數十億倍。它們位于星系中心，被認為是由較小的黑洞合并而成的。

中子星與黑洞

然而，眼下對這些黑洞的生長以及相互關系仍知之甚少。最小黑洞和最大中子星之間的質量間隙便是一個重大謎題。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也可達幾億噸。一般認為，當中子星密度達到臨界點，就會坍縮成黑洞。若是如此，質量最小的黑洞應該與質量最大的中子星質量相同。

然而，所見卻并非如此。早在引力波被探測到之前，就有辦法來估算黑洞和中子星的質量。結果表明，質量最大的中子星質量不超過太陽2倍，而質量最小的黑洞則不低于太陽的5倍。缺失質量在太陽2～5倍區間的天體引發了對中子星認識是否存在嚴重問題的爭論。

在激光干涉引力波天文臺運行后的前幾年，并未在該“質量間隙”中發現任何天體。但隨著后期數據的發布，情況發生了改變。目前已探測了至少兩起黑洞吞噬某個較小天體的事件。雖然還不能確定該較小的天體是一個黑洞還是一顆中子星，但它的質量僅為太陽的2.6倍，正好位于質量間隙內。此外，激光干涉引力波天文臺還觀測到了第三起黑洞與2.1倍太陽質量中子星并合的事件。與此同時，利用射電望遠鏡發現了一顆質量為太陽2.19倍的中子星。

這些觀測結果表明，質量間隙可能只是一個觀測偏倚。激光干涉引力波天文臺擅長探測質量更大的天體。相較于5倍于太陽質量的黑洞，對它而言探測30倍于太陽質量的黑洞會更加得心應手。處于質量間隙的天體也許就在那里，只不過很難被發現。在升級后，激光干涉引力波天文臺對較小質量天體的探測靈敏度將有所提升。

在最新的數據中，與最大恒星質量黑洞有關的發現同樣令人驚訝。迄今所發現質量最大的恒星約為太陽的200多倍。當它們死亡時，爆炸威力極為強勁，不會留下任何東西，甚至連黑洞也不會形成。事實上，根據目前對此類事件的認識，無論恒星的質量有多大，通過超新星爆發形成的黑洞其質量都不會超過太陽的45倍。

然而，在引力波事件中所探測到黑洞的質量普遍在60倍太陽質量以上。即便考慮了激光干涉引力波天文臺自身對大質量天體探測的偏倚，這些大質量黑洞的數量也超出了預期。這表明，對超新星的認識可能有誤，或者黑洞可以通過相互并合生長到如此大的質量。

利用引力波來研究質量達太陽數百萬倍的超大質量黑洞，可以揭示更多的宇宙歷史。幾乎每個星系的中心都有一個超大質量黑洞。只有通過小型星系之間和黑洞之間的并合才能形成今天所見的超大質量黑洞。但目前還沒辦法回溯到足夠久遠的時間來見證這一切的發生。

超大質量黑洞間的碰撞會發出引力波。但這些碰撞事件實則極為罕見。由于軌道速度很小，其所發出引力波的頻率會比目前所能探測到的更低。除非能被送入太空，否則地面探測器并不具備足夠的靈敏度來探測這些引力波。

不過，還有另一種方法。在并合前，相互繞轉的超大質量黑洞會發出微弱的引力波。雖然一個這樣的系統所發出的引力波微不足道，但把宇宙中所有其他黑洞發出的引力波疊加之后，就形成了一個貫穿宇宙的引力波背景。

這個背景實際上比目前已探測到的引力波信號強100萬倍以上，但其整個波動周期卻長達數年。要探測它就必須在好幾年的時間里測量一個振幅遠小于原子直徑的振蕩信號。這體現了引力波背景自身的獨特性質。

北美納赫茲引力波天文臺項目旨在探測這個引力波背景信號。該項目使用了傳統的射電望遠鏡來監測快速自轉的脈沖星。就像燈塔，脈沖星在自轉時會有規律地發出射電波束，可以充當極其穩定的時鐘。10年來，該項目一直在對天空中幾十顆脈沖星進行計時測量。在它們的信號中出現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公布了對45顆脈沖星近13年觀測數據的分析結果。其中可能包含了引力波背景的信號，但尚無法最終確定。與歐洲和澳大利亞的另外兩個脈沖星計時陣聯合，三方構建了國際脈沖星計時陣合作項目。在2022年初宣布的綜合數據中，這個信號依然存在，佐證了其真實性。

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于單個超大質量黑洞的信息。相反，根據超大質量黑洞不同的星族和并合率，天文學家用計算機來模擬引力波背景信號。通過比較理論模型和測量數據，就能夠推斷出宇宙中黑洞的種類。

如果模型無法與數據相吻合，將意味著不得不引入另一種黑洞來解釋這一差異。

一些觀點認為，在宇宙大爆炸的最初幾秒內，空間密度的漲落可能會形成微型黑洞。這些原初黑洞是否存在過，或者現在是否仍然存在，還遠無法確定。但如果回答是肯定的，原初黑洞可以為多個宇宙學問題提供優雅的解答。最吸引人的是，原初黑洞可以充當暗物質，后者是維系星系的不可見物質成分。

在引力波背景中有可能區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確鑿的證據。

但首要任務是必須要先明確探測到引力波背景信號。為此，目前正在分析約60顆脈沖星另外3年的數據，由此應該能確定是否真的探測到了引力波背景。正如首次探測到引力波所昭示的，對引力波背景的探測將會是全新科學的開始。

資料來源 New Scientists