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)引力波探測的三位物理學(xué)家。100多年前，愛因斯坦就預(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上了完美的句號(hào)。

事實(shí)上，這既是結(jié)束，也是開始。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天體的紛繁多樣性，展示恒星死亡的嶄新細(xì)節(jié)，解開長期以來宇宙中黑洞星族的謎團(tuán)。此外，也許很快就會(huì)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(huì)以同心圓的方式向外擴(kuò)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(zhì)量運(yùn)動(dòng)天體來攪動(dòng)時(shí)空，由此泛起的漣漪才會(huì)在三維空間中向外傳播。引力波曾是愛因斯坦廣義相對論最后幾個(gè)未經(jīng)證實(shí)的預(yù)言之一，也是大批科學(xué)家耗費(fèi)幾十年試圖探測它的原因。

為此，美國建造了兩臺(tái)巨大的儀器，統(tǒng)稱為激光干涉引力波天文臺(tái)。這兩臺(tái)探測器會(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)過的路徑長度相同，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)類似的探測器，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(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。引力波探測器能通過獨(dú)有的方式來探測黑洞，完全不同于接收電磁波的傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡。

起初，第一次聽到黑洞碰撞的啁啾聲著實(shí)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(shù)已達(dá)90個(gè)。有如此之多的引力波觀測數(shù)據(jù)在手，人類邁入了一個(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)量從太陽的幾倍到幾十倍不等。超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量則是太陽的幾百萬到數(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，眼下對這些黑洞的生長以及相互關(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(zhì)量。結(jié)果表明，質(zhì)量最大的中子星質(zhì)量不超過太陽2倍，而質(zhì)量最小的黑洞則不低于太陽的5倍。缺失質(zhì)量在太陽2～5倍區(qū)間的天體引發(fā)了對中子星認(rèn)識(shí)是否存在嚴(yán)重問題的爭論。

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)量僅為太陽的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)還觀測到了第三起黑洞與2.1倍太陽質(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2.19倍的中子星。

這些觀測結(jié)果表明，質(zhì)量間隙可能只是一個(gè)觀測偏倚。激光干涉引力波天文臺(tái)擅長探測質(zhì)量更大的天體。相較于5倍于太陽質(zhì)量的黑洞，對它而言探測30倍于太陽質(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，只不過很難被發(fā)現(xiàn)。在升級(jí)后，激光干涉引力波天文臺(tái)對較小質(zhì)量天體的探測靈敏度將有所提升。

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)目前對此類事件的認(rèn)識(shí)，無論恒星的質(zhì)量有多大，通過超新星爆發(fā)形成的黑洞其質(zhì)量都不會(huì)超過太陽的45倍。

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

利用引力波來研究質(zhì)量達(dá)太陽數(shù)百萬倍的超大質(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(zhì)量黑洞。但目前還沒辦法回溯到足夠久遠(yuǎn)的時(shí)間來見證這一切的發(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。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(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)際上比目前已探測到的引力波信號(hào)強(qiáng)100萬倍以上，但其整個(gè)波動(dòng)周期卻長達(dá)數(shù)年。要探測它就必須在好幾年的時(shí)間里測量一個(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)鏡來監(jiān)測快速自轉(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，該項(xiàng)目一直在對天空中幾十顆脈沖星進(jìn)行計(jì)時(shí)測量。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45顆脈沖星近13年觀測數(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)來模擬引力波背景信號(hào)。通過比較理論模型和測量數(shù)據(jù)，就能夠推斷出宇宙中黑洞的種類。

如果模型無法與數(shù)據(jù)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(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，或者現(xiàn)在是否仍然存在，還遠(yuǎn)無法確定。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(huì)是全新科學(xué)的開始。

資料來源 New Scientists