通過觀察引力波以及尋找一種全新類型的引力波，我們可以解決宇宙中一些最深?yuàn)W的謎團(tuán)。
2016年，天文學(xué)家首次探測(cè)到了由100多年前愛因斯坦預(yù)言的引力波。翌年，對(duì)引力波探測(cè)做出重大貢獻(xiàn)的三位物理學(xué)家被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在一些人眼里，這意味著塵埃落定。
但這與其說是結(jié)束，不如說是開始。引力波為天文學(xué)家提供了一種全新的探測(cè)手段。如果說傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡讓天文學(xué)家“看”到宇宙，那么引力波則讓天文學(xué)家“聽”到宇宙。
迄今，我們已經(jīng)探測(cè)到數(shù)十個(gè)引力波。它們不僅豐富了我們對(duì)宇宙中最奇特的天體(如黑洞和中子星)的了解，還向我們展示了恒星死亡的新細(xì)節(jié)。更重要的是，我們正接近于檢測(cè)到一種全新類型的引力波，這種引力波可以幫助我們確定暗物質(zhì)的真實(shí)身份。
探測(cè)引力波已是家常便飯
請(qǐng)想象一下，把一塊鵝卵石扔進(jìn)池塘，你會(huì)看到漣漪以同心圓的方式擴(kuò)散開去。引力波就有點(diǎn)像這樣，只不過激起引力波的不是鵝卵石，而是像黑洞這樣的大天體，引力波也不是任何形式的物質(zhì)的波動(dòng)，而是時(shí)空本身的漣漪。
為了探測(cè)引力波，天文學(xué)家在美國建造了兩個(gè)巨大的激光干涉儀引力波天文臺(tái)(簡(jiǎn)稱LIGO)。LIGO從中心一個(gè)點(diǎn)分別向幾千米外的兩面鏡子發(fā)射兩道精密的激光。兩束激光所走的路徑相互垂直，而且長(zhǎng)度嚴(yán)格相等。這樣，當(dāng)它們經(jīng)鏡子反射返回中心點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的干涉圖案。一旦所走的路徑有任何微小的差異，干涉圖案就會(huì)移動(dòng)。所以當(dāng)引力波穿過地球時(shí)，由于空間不同方向受到持續(xù)的拉伸和壓縮，兩束激光走過的路徑不再嚴(yán)格相等，這將導(dǎo)致干涉圖案移動(dòng)。
這樣探測(cè)引力波其實(shí)也并不容易，因?yàn)橐Σ▽?duì)激光幾千米路徑的改變幅度連一個(gè)原子的直徑都不到。但是天文學(xué)家還是成功地捕捉到了這種微小的變化?，F(xiàn)在，引力波探測(cè)器除了美國的LIGO，還有意大利的Virgo，日本的KAGRA以及德國的GEO600。
目前，引力波最大的用途是為我們了解黑洞提供了一個(gè)窗口。黑洞本來是很難研究的，因?yàn)樗鼈兗炔荒苤苯影l(fā)光，也不能反射光。但它們會(huì)相互碰撞，產(chǎn)生引力波。
當(dāng)天文學(xué)家第一次探聽到黑洞碰撞的引力波信號(hào)時(shí)，著實(shí)興奮了一陣，但是如今這對(duì)于他們已經(jīng)是家常便飯。截至2021年11月，觀察到的引力波總數(shù)已達(dá)到90個(gè)。隨著引力波探測(cè)技術(shù)的成熟，一個(gè)新的時(shí)代正在來臨，讓我們可以去回答關(guān)于宇宙如何在最宏大的尺度上運(yùn)作的問題。
彌合黑洞和中子星之間的質(zhì)量差距
雖然黑洞是一種最難探測(cè)的天體，但比起其他天體，它們?cè)谟钪鏆v史上似乎留下了更多的痕跡。它們有不同的大小，在宇宙的演化過程中以不同的方式形成。譬如，有恒星量級(jí)的黑洞，它們是在大型恒星死亡時(shí)誕生的，其質(zhì)量是太陽的幾倍到幾十倍。然后還有超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量從幾百萬到幾十億個(gè)太陽質(zhì)量不等。它們盤踞在星系的中心，被認(rèn)為是由較小的黑洞通過碰撞合并而成的。
然而長(zhǎng)期以來，我們對(duì)這兩類黑洞是如何成長(zhǎng)的以及彼此之間是什么關(guān)系充滿了困惑。一個(gè)主要的難題是最小的黑洞和最大的中子星之間的質(zhì)量差距。中子星是死亡恒星留下的殘核，是宇宙中密度僅次于黑洞的天體(理論上，密度僅次于黑洞的應(yīng)該是夸克星，但夸克星的存在還未得到證實(shí))。中子星的密度是如此之大，一火柴盒大小的中子星物質(zhì)，就重達(dá)數(shù)億噸。人們認(rèn)為，只要中子星的質(zhì)量再大一點(diǎn)，就可以坍塌成黑洞，所以最輕的黑洞與最重的中子星應(yīng)該有差不多的質(zhì)量。
然而，實(shí)際看到的情況卻不是這樣。甚至在LIGO建成之前，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上就有方法來估計(jì)黑洞和中子星的質(zhì)量了。用這些方法得到的結(jié)果是，最重的中子星不超過2倍的太陽質(zhì)量，而最輕的黑洞則不輕于5倍的太陽質(zhì)量，兩者之間有大約3倍太陽質(zhì)量的差距。換句話說，介于2倍太陽質(zhì)量和5倍太陽質(zhì)量之間的天體，不論黑洞還是中子星，都甚少見。這讓天文學(xué)家懷疑，他們對(duì)于中子星或黑洞的理解是否有紕漏。
在LIGO探測(cè)到黑洞的頭幾年，這個(gè)“質(zhì)量差距”仍然沒得到彌合。但是，隨著最近新的一批引力波數(shù)據(jù)的發(fā)布，這種情況已經(jīng)改變?，F(xiàn)在至少有兩個(gè)事件讓我們可以填補(bǔ)這個(gè)差距。其中一個(gè)事件是一個(gè)黑洞吞噬一個(gè)較小的天體(這個(gè)天體是另一個(gè)黑洞還是中子星，我們還不能確定)，這個(gè)較小的天體重約2.6倍的太陽質(zhì)量，正好在質(zhì)量差距之內(nèi)。另一個(gè)事件是一個(gè)黑洞正在吞噬一顆2.1倍太陽質(zhì)量的中子星。此外，天文學(xué)家用射電望遠(yuǎn)鏡還發(fā)現(xiàn)了一顆2.19倍太陽質(zhì)量的中子星。
這些探測(cè)結(jié)果告訴我們，觀測(cè)上所謂的最大中子星和最小黑洞之間的“質(zhì)量差距”可能只是一種假象，實(shí)際上并不存在。造成這一假象的原因在于，LIGO更擅長(zhǎng)探測(cè)大質(zhì)量的天體。譬如，它很擅長(zhǎng)探測(cè)大于30倍太陽質(zhì)量的黑洞，但要它探測(cè)2~5倍太陽質(zhì)量的黑洞，卻比較困難。所以，只要它沒有技術(shù)上的局限性，能探測(cè)到介于2倍到5倍太陽質(zhì)量之間的黑洞，這個(gè)質(zhì)量差距就灰飛煙滅了。目前，LIGO正在升級(jí)，相信它在升級(jí)之后，就能勝任這一工作。
重新理解超新星
當(dāng)涉及到最大的恒星量級(jí)黑洞時(shí)，最新的數(shù)據(jù)中也有驚喜。
目前發(fā)現(xiàn)的最大的恒星，其質(zhì)量是太陽的200多倍。但是理論上，當(dāng)質(zhì)量如此之大的恒星死亡時(shí)，由于超新星爆炸的威力過于巨大，以至于任何殘核(包括黑洞)都不會(huì)留下。
為什么會(huì)這樣?主要是因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星與較小質(zhì)量恒星的超新星爆炸機(jī)制有所不同。
較小質(zhì)量恒星到了晚年，一方面外層物質(zhì)受引力作用，不斷往中心收縮，另一方面中心由核聚變產(chǎn)生的高能伽馬射線靠輻射壓(即光壓，光照射在恒星外層物質(zhì)上產(chǎn)生的壓力)抵抗著引力。但高能伽馬射線不斷減少(因?yàn)橘ゑR射線不斷地逃逸。此外，聚變的材料也在不斷耗盡)，當(dāng)輻射壓抵抗不住引力時(shí)，恒星就坍塌了。這過程中釋放出巨大的能量，導(dǎo)致超新星爆發(fā)，同時(shí)留下一個(gè)殘核(白矮星、中子星或黑洞)。
大質(zhì)量恒星到了晚年，其狀況與較小質(zhì)量恒星基本相似，稍有不同的是，其內(nèi)部的溫度和伽馬射線能量都比后者高。在這種情況下，高能伽馬射線不斷地轉(zhuǎn)化成正反電子對(duì)。這樣一來，輻射壓減小了，加劇了外層物質(zhì)的收縮。收縮之后，內(nèi)部溫度進(jìn)一步提高，這又促使更多的伽馬射線轉(zhuǎn)化為正反電子對(duì)，外層物質(zhì)又進(jìn)一步收縮……如此循環(huán)，導(dǎo)致失控，最終點(diǎn)燃了超新星。這類超新星比較小質(zhì)量恒星的超新星威力更大，會(huì)在殘核形成之前就把所有恒星物質(zhì)在爆炸中拋撒一空，什么都不會(huì)留下。
因此理論預(yù)言，從超新星爆發(fā)中產(chǎn)生的黑洞，無論如何都不應(yīng)該比45倍太陽質(zhì)量更重。但LIGO探測(cè)到的黑洞中，就有超過60倍太陽質(zhì)量的。如果這個(gè)黑洞不是通過合并成長(zhǎng)起來的，那只能說，天文學(xué)家對(duì)于超新星的理解有誤。
探測(cè)另一類型的引力波
利用引力波來研究超大質(zhì)量黑洞的同時(shí)，我們還可以了解更多關(guān)于宇宙歷史的信息。
今天，幾乎每個(gè)大型星系的中心都坐著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞?？紤]到大型星系往往都是由較小星系合并而來的，超大質(zhì)量黑洞為了達(dá)到它們現(xiàn)在的規(guī)模，盤踞在較小星系中心的超大質(zhì)量黑洞必定經(jīng)歷過相撞和合并。
這樣的相撞會(huì)釋放出引力波，但這類事件在我們有生之年十分罕見，而且所發(fā)射的引力波，其頻率比我們迄今探測(cè)到的引力波頻率低。LIGO式的引力波探測(cè)器除非建在太空，否則永遠(yuǎn)不會(huì)有足夠的敏感度來探測(cè)這類黑洞碰撞。
但是還有另一種方法。即使在它們合并之前，環(huán)繞的超大質(zhì)量黑洞也會(huì)發(fā)出微弱的引力波。單獨(dú)來看，這些引力波都是微不足道的，但是多個(gè)這樣的引力波合在一起，它們就會(huì)在宇宙空間形成一個(gè)持續(xù)的、微弱的“噪聲”，被稱為引力波背景。
毫無疑問，引力波背景比目前探測(cè)到的引力波信號(hào)還要微弱。但也不是完全不可探測(cè)。北美納米赫茲引力波觀測(cè)站(NANOGrav)就旨在探測(cè)這一信號(hào)。NANOGrav使用傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡來監(jiān)測(cè)快速旋轉(zhuǎn)的中子星(即脈沖星)。當(dāng)脈沖星旋轉(zhuǎn)時(shí)，向太空發(fā)出有規(guī)律的無線電波束，可以作為極穩(wěn)定的時(shí)鐘。十年來，NANOGrav一直在為天空中的幾十顆脈沖星信號(hào)計(jì)時(shí)。脈沖星信號(hào)到達(dá)地球時(shí)的任何微小差異，都可能是引力波背景的漣漪造成的。
大約一年前，NANOGrav的研究人員公布了對(duì)45顆脈沖星跟蹤觀察近13年的數(shù)據(jù)分析。在其中一顆脈沖星的數(shù)據(jù)中，他們聲稱看到了可能表明引力波背景存在的跡象。
當(dāng)然，即使這是一個(gè)真實(shí)的事件，也不可能反推出任何關(guān)于單個(gè)超大質(zhì)量黑洞的信息。但是，天文學(xué)家可以在計(jì)算機(jī)中建立宇宙模型，對(duì)每個(gè)模型設(shè)置不同的超大質(zhì)量黑洞群和不同的合并概率，然后看看什么樣的模型會(huì)產(chǎn)生什么樣的引力波背景信號(hào)。通過比較模型和觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以幫助我們推斷出很多關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的信息。
原始黑洞——暗物質(zhì)的候選者
最激動(dòng)人心的前景是，如果計(jì)算機(jī)模型不能解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這可能意味著我們將被迫需要在模型中引入另一種類型的黑洞來“平衡賬目”。
在對(duì)大爆炸的一些解釋中，在宇宙誕生的最初幾秒鐘，由于物質(zhì)密度的漲落，有些區(qū)域的密度大到一定程度，在引力作用下就直接坍塌成了黑洞。由于漲落的特點(diǎn)是幅度越小，出現(xiàn)的概率越大，所以小質(zhì)量的微型黑洞應(yīng)該充斥宇宙。
現(xiàn)在我們還不能確定這些原始黑洞是否存在，或者它們今天是否仍然還存在。如果它們存在，將為宇宙學(xué)中的幾個(gè)問題提供了一個(gè)優(yōu)雅的解決方案。其中最吸引人的是，它們可能就是我們夢(mèng)里尋他千百度的暗物質(zhì)——一種維系星系，使其不致解體的神秘物質(zhì)。理論家最近的工作表明，從引力波背景中我們應(yīng)該能夠判斷得出原始黑洞是否存在以及它們的數(shù)量。
目前，一部分天文學(xué)家正致力于探測(cè)引力波背景。如果能探測(cè)到，那么正像首次探測(cè)到引力波那樣，宇宙學(xué)研究將開啟一個(gè)新的篇章。
把引力波探測(cè)器建到太空
在地球上探測(cè)引力波是一件相當(dāng)棘手的事情。一個(gè)主要原因是，地面上的任何震動(dòng)，大到遠(yuǎn)處的地震，小到實(shí)驗(yàn)室電梯的升降，都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。
這就是為什么歐洲航天局計(jì)劃把引力波探測(cè)器放置到太空去的原因。這項(xiàng)任務(wù)被稱為激光干涉儀空間天線(簡(jiǎn)稱LISA)。它的工作原理與地面上的激光干涉儀引力波天文臺(tái)相同。LISA計(jì)劃從一艘飛船上向另外兩艘飛船發(fā)射激光，每艘飛船彼此相距250萬千米。當(dāng)激光在這些飛船之間傳播時(shí)，將記錄下由經(jīng)過的引力波引起的路徑的微小變化。由于LISA的“臂”遠(yuǎn)比LIGO長(zhǎng)，又避免了地面震動(dòng)的干擾，所以它將遠(yuǎn)比LIGO靈敏。
歐空局在2015年發(fā)射了一個(gè)名為“LISA探路者”的示范任務(wù)，取得了成功。這說明LISA的設(shè)想是可行的。不過，LISA要到2037年才能發(fā)射升空。
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