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引力波回声可能是“搅局者”
发布日期:2016年12月15日    信息来源:《科技日报》 字体:【】【】【


  ——LIGO数据暗示广义相对论在黑洞边缘失效


  今年2月,激光干涉引力波天文台(LIGO)首次发现了黑洞合并产生引力波的证据,这被视为是对爱因斯坦广义相对论的一次有力证明。但英国《自然》杂志网站近日刊文称,具有反讽意味的是,这一发现似乎也是广义相对论在黑洞边缘会失效的首个证据——物理学家们对LIGO公开发表的数据进行认真分析后表示,他们在黑洞边缘发现了引力波的“回声”,这似乎违背了广义相对论。


  此前物理学家们曾推测,广义相对论在某些极端情况下(比如黑洞中央)可能会失效,而这些回声或许表明,相对论会在远离黑洞中央的边缘失效。随着研究的进一步深入,将有更多数据出现,如果这些回声消失,那么,广义相对论又通过了一次严苛测试;但如果它们一直存在,这将是一个重大发现。


  黑洞事件视界是矛盾集中点


  黑洞的经典图像来源于爱因斯坦的广义相对论:一个巨大的物体将时空扭曲,在拥有足够质量的情况下,时空曲率增大,连光都无法逃离,这些物体因此得名黑洞。根据这一模型,不幸进入黑洞边界——事件视界的万事万物将被黑洞完全摧毁。正如最新研究负责人之一、加拿大滑铁卢大学的宇宙学家尼亚什·阿弗肖迪所说:“黑洞就像一个无底坑。”


  但在2012年,加州物理学家们意识到,如果量子物理是正确的,那黑洞的事件视界应该被一个“火墙”取代,这个“火墙”是一个由高能粒子组成的环,会将任何通过的物质烤焦,但这又违背了广义相对论;如果黑洞没有“火墙”,则暗示量子理论是错误的。所以,广义相对论和量子理论在此发生了冲突。


  其他与广义相对论矛盾的新奇理论也预测,黑洞事件视界存在某些结构,比如,某些版本的弦论声称,黑洞是个“毛球”——缠绕在一起的能量线,事件视界表面是毛茸茸的,而非界限清楚的。阿弗肖迪表示,迄今为止,我们似乎没有任何办法凝视事件视界,发现那里具体存在“何方神圣”。


  回声或是解决问题的钥匙


  不过,情况在今年2月份发生了变化。LIGO团队宣布,探测到了首个引力波证据,这一引力波由两个黑洞合并生成。葡萄牙里斯本高级技术学院的维托尔·卡多苏领导的物理学家团队很快提出,如果黑洞的事件视界存在一个“火墙”(这一点违背了广义相对论),那么这些黑洞的合并除了会爆发出引力波外,可能也会释放出一系列回声。


  回声之所以会出现,是因为“火墙”或任何其他结构会在传统的黑洞事件视界制造出一个特殊的区域。这个区域的内边缘是传统的事件视界,进入内边缘以内没有光子能逃脱。外边缘孔隙多一点,穿过这个边界的光子有些会被黑洞捕获,但有些可能会逃出。这一影响也会部分地捕获由黑洞合并释放的引力波,它们将在内外边缘之间弹来弹去,每次逃出一些,从而产生回声。


  阿弗肖迪团队构造了一个简单的模型,用镜面代替传统的黑洞事件视界,并在其上应用LIGO迄今捕获到的3次黑洞合并的属性。结果表明,如果黑洞事件视界存在任何结构,那么黑洞合并的引力波信号也会伴随着周期性并逐步衰减的回声,重复的回声之间精确的时间间隔约为0.1秒、0.2秒、0.3秒。有趣的是,当他们研究LIGO数据时发现,所有三次合并释放出的引力波之后都伴随有连续的回声,时间间隔正是预测的间隔。


  更多数据将证实或证伪


  阿弗肖迪说,如果把所有黑洞合并事件都考虑进去,置信度为99.6%(2.9西格玛),但这并没有达到宣称一个发现所需要的5西格玛,为了确保这些回声并非噪音,科学家们必须在未来发现的黑洞合并中找到这样的回声。


  据麻省理工学院(MIT)官网近日消息,在过去一年中,科学家改进、强化了LIGO系统的激光器、电子设备以及光学设备等性能,使LIGO的灵敏度提高了10%到25%。科学家希望,升级后的LIGO能探测到宇宙深处发出的更多、更频繁的引力波信号及引发引力波信号的宇宙极端现象。阿弗肖迪说:“升级后的LIGO提供的更精确数据将有助于我们在未来两年内证实或证伪这一发现。”


  LIGO团队成员、德国马克斯普朗克引力物理学研究所的物理学家亚历桑德拉·波南诺说,LIGO科学家正在对回声信号进行分析。而且他认为,阿弗肖迪使用的镜面模型太过粗糙,因此很难确定究竟是“火墙”“毛球”还是其他什么结构制造出了这种回声。他说,更复杂的模型或许可以通过预测回声的振幅及消亡速度,来确定制造回声的“幕后推手”。


  尽管该团队的论文提供了背离广义相对论的线索,但加州大学圣巴巴拉分校的黑洞研究员斯蒂芬·基丁斯说,迄今为止,这些仅仅只是线索。“未来,LIGO和其他探测器提供的数据,或能让我们对这一新的物理学领域进行研究。”

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