黑洞與蟲洞相遇後結局眾多 但都繞不開引力波

2020-11-23 新華網客戶端

　　通過引力波信號，天文學家已經觀測到超過20次的黑洞、中子星等緻密天體的碰撞或併合事件。

　　然而，最近的一項研究發現，黑洞與蟲洞的碰撞也會產生豐富的引力波。

　　8月27日，據國外媒體報導，一個國際研究團隊在假設蟲洞存在的前提下，模擬分析了5倍太陽質量黑洞穿過200倍太陽質量的蟲洞。結果表明，黑洞可穩定穿越蟲洞，在黑洞進入和離開蟲洞的過程中，會出現迄今從未探測到過的特殊引力波信號。

　　黑洞為何會「落入」蟲洞內？所發出的一種特殊的引力波是什麼樣的？人們可以按圖索驥搜尋蟲洞進而開展時空旅行嗎？

　　「反啾啾聲」： 黑洞穿過蟲洞的引力波特徵

　　蟲洞和黑洞都是愛因斯坦廣義相對論預言的特殊時空結構。天文學家普遍認為，黑洞是恆星坍縮的產物。黑洞的存在已經被觀測所證實，甚至在2019年出現了第一張黑洞照片。而蟲洞依然屬於理論假定，還沒有被天文觀測所證實。如果能證明蟲洞真的存在，天文學研究將獲得巨大突破。

　　在此次研究中，研究人員通過數值模擬的方法，發現黑洞落入蟲洞會產生一種特殊的引力波信號——「反啾啾聲」，這與雙黑洞碰撞所產生的「啾啾聲」引力波信號是不同的。研究者據此推測，未來人們可以根據這種特殊的引力波信號來搜尋宇宙中可能存在的蟲洞。

　　「雙黑洞碰撞的引力波特徵是『啾啾聲』。」中國科學院院士、中國科學院理論物理研究所所長蔡榮根解釋道，當兩個黑洞越來越近的時候，引力波的振幅會越來越大，頻率會越來越高，發出的聲音被形象地稱作「啾啾聲」。

　　那麼「反啾啾聲」又是什麼呢？理解這種特殊的信號，首先需要了解黑洞落入蟲洞會發生什麼。

　　在此次研究中，研究人員模擬了一個5倍太陽質量黑洞「落入」一個穩定、不旋轉、可穿越的200倍太陽質量蟲洞，這個過程被蔡榮根形容為「像一顆球掉進一根水管」。

　　他對科技日報記者表示，黑洞落入蟲洞後可能存在3種結局：一是黑洞速度非常快，瞬間穿過蟲洞到達另外一個宇宙；第二種可能是，黑洞掉進蟲洞之後，由於初速度動能不夠大而停留在蟲洞喉部，像水在水管底部滯留下來一樣；第三種可能是，黑洞落入蟲洞後，由於引力的相互作用，又被拉回到原來的宇宙。

　　「論文作者所說的『反啾啾聲』屬於第三種情況。」蔡榮根說，這正如水進入水管後頻率越來越高，這時發出的引力波特徵是「啾啾聲」；接著，水又從水管底部回到原來的地方，此時它發出的引力波頻率越變越小，這就是「反啾啾聲」。

　　回音現象： 或是源於蟲洞併合

　　近年來，黑洞的神秘面紗被逐漸揭開。但同樣是愛因斯坦廣義相對論預言的時空結構，蟲洞卻為何這樣難尋？此次研究結果對搜尋蟲洞有怎樣的幫助？

　　蔡榮根告訴科技日報記者，蟲洞是連接兩個不同宇宙（或者同一宇宙中兩個不同區域）的管道或捷徑，物體通過蟲洞可以進行時空穿越。蟲洞可以小到量子尺度，也可以大到宇宙尺度。「理論上不排除蟲洞構型的確存在，但我們仍需要注意兩點，一是實際上人類還從未觀察到蟲洞；二是理論上，蟲洞存在的可能性非常小。」他表示。

　　他進一步解釋道，在廣義相對論中，所謂的蟲洞構型是可以存在的。但是構造蟲洞需要一種非常特殊的物質，即所謂的「負能量」，日常生活中看到的物質比如空氣、巖土等是無法構造蟲洞的。

　　儘管困難重重，科學家對蟲洞的探索一直在繼續。自2015年雙黑洞碰撞產生的引力波信號被觀測證實後，蟲洞的科學探索也逐漸火熱起來。對於蟲洞的探索，科學家同樣選擇從引力波「下手」。

　　「黑洞落入蟲洞必然會產生引力波。」國內蟲洞研究者、揚州大學物理科學與技術學院戴德昌博士解釋道，引力波是空間結構的擾動，黑洞和蟲洞是兩種特殊的空間結構，研究空間結構繞不開引力波。

　　2015年發現黑洞併合產生的引力波後，科學家便提出可以利用引力波來研究中子星、黑洞、白矮星等緻密天體的結構。2016年，有學者提出蟲洞的空間結構不同於其他緻密天體，應該會形成不一樣的引力波信號。2017年人們發現黑洞併合發出的引力波信號裡有回音現象，即「反啾啾聲」。

　　「這就是本次研究的意義所在。因為回音現象表示併合的天體也可能是蟲洞而非黑洞。因此如何驗證這一發現變得至為重要。」戴德昌進一步解釋道，研究黑洞和蟲洞併合現象，就是要找出分辨一個天體是黑洞還是蟲洞的方法。蟲洞類似兩個黑洞的空間剪開後再粘貼起來的隧道結構。這就意味著，黑洞和蟲洞有一半的時空間結構是相同的，很難區分開來。

　　戴德昌認為，目前模擬蟲洞和黑洞併合的目的就是建立其引力波信號模板，用於對比引力波探測器所觀測到的引力波信號。如果模板和引力波信號吻合，就是蟲洞存在的最佳證明。

　　匹配濾波方法： 或許能用於搜尋蟲洞

　　蔡榮根進一步表示，如果捕捉到研究人員所說的引力波信號，就能證明存在蟲洞。

　　科學家從黑洞併合事件中探測到了人類歷史上首個引力波信號，既然引力波信號是尋找蟲洞的「線索」，那麼科學家又是如何探測這些引力波信號的？

　　蔡榮根介紹，同此次研究一樣，黑洞的引力波信號也是從計算機模擬兩個黑洞碰撞開始，結果證實兩個黑洞碰撞會產生一類引力波信號，然後從大量觀測數據中尋找這樣的信號。如果成功找到這類信號，則可以證明黑洞的存在。這種尋找天體的方式，被稱為「匹配濾波方法」。

　　引力波的「語言」很豐富，黑洞、中子星、白矮星等緻密天體的相互碰撞，會產生不一樣的引力波信號。這時「匹配濾波方法」就要大展身手了。蔡榮根以原子彈和氫彈的區分作為類比，他說：「原子彈和氫彈的爆炸強度都很大，但是二者當量不同，通過測量當量，便可以反推是原子彈還是氫彈。同樣，通過引力波信號特徵也可以反推出緻密天體的類型。」

　　「這個實驗對於我們尋找蟲洞是有意義的。」蔡榮根說，儘管該研究使用了一個非常簡單的數學模型，對黑洞落入蟲洞的全程進行模擬，跟真實情況還是有些距離，但是能夠抓住主要的物理特徵，提供了一種新的、可能的蟲洞與黑洞相互作用的引力波信號，對未來尋找蟲洞以及相關研究具有啟示意義。

　　「事實上，黑洞落入蟲洞還可能會破壞蟲洞。」戴德昌舉例說道，如果蟲洞不穩定，黑洞的落入會讓蟲洞突然斷裂或被摧毀。如果蟲洞和黑洞的質量非常接近，那麼蟲洞可能會繞著黑洞運行，或者相反。如果黑洞質量顯著大於蟲洞，那麼黑洞可能一口將蟲洞吞噬。

　　黑洞與蟲洞的碰撞充滿著不確定性，究竟現實如何，還需要未來堅持不懈地研究，去揭示黑洞與蟲洞的真正特性。（記者 唐 芳)

　　

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  • 如果黑洞落入蟲洞會發生什麼？
    由於引力波極其微弱，因此很難探測到，甚至連愛因斯坦都不確定它們是否真的存在，以及它們是否會被發現。經過幾十年的工作，科學家們在2016年報告了第一個使用雷射幹涉儀引力波天文臺(LIGO)探測到的引力波的直接證據。
  • 如果黑洞掉進蟲洞會發生什麼？
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  • 當黑洞落入蟲洞會發生什麼？科學家：或將會出現一種神秘引力波
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  • 宇宙中如果黑洞掉進蟲洞會怎樣？
    根據愛因斯坦的觀點，他在1916年首次預測了引力波的存在，引力來自於質量扭曲時空的方式。當兩個或多個物體在引力場中移動時，它們會產生引力波，它們以光速傳播，並沿時空拉伸和壓縮時空。 引力波非常弱，因此很難檢測到，甚至愛因斯坦也不確定它們是否真的存在以及是否會被發現。經過數十年的研究，科學家報告了 2016年使用雷射幹涉儀重力波天文臺（LIGO）探測到的重力波的直接證據。
  • 繞著蟲洞旋轉的黑洞可能會發出奇異的引力波
    美國範德堡大學的物理學家威廉·蓋貝拉說：「這些都只是推測。」但是，如果蟲洞真的存在，研究人員就有可能通過引力波探測到這些奇異的天體。　　蓋貝拉及其同事想像了一個質量為太陽5倍的黑洞，繞著距離地球16億光年的蟲洞旋轉。根據研究人員的計算，當這個黑洞圍繞蟲洞旋轉時，它會開始向內螺旋運動，就好像在繞著另一個黑洞旋轉。
  • 繞著蟲洞旋轉的黑洞可能會發出奇異的引力波
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  • 黑洞落入蟲洞會發生什麼？
    蟲洞是時空中的隧道，理論上它可以在時空任何區域旅行，甚至進入另一個宇宙，愛因斯坦廣義相對論允許蟲洞存在，儘管它們是否存在是另一回事。原則上講，所有蟲洞都是不穩定的，一旦打開就會立即關閉。兩者主要區別是，理論上沒有任何物質可以在進入黑洞後再次返回蟲洞，黑洞引力超過光速的臨界速度，而任何進入蟲洞的物體理論上可以反向運動。假設蟲洞可能存在，科學家研究了黑洞環繞蟲洞運行時產生的引力信號，並發表了一篇論文報告，探究分析了當黑洞進入蟲洞會發生什麼？是否從蟲洞另一端離開進入時空的另一端？假設黑洞和蟲洞彼此引力結合在一起，黑洞落入蟲洞，之後將在蟲洞另一端出現。
  • 當蟲洞遇上黑洞，故事將會如何發展？
    引力波極其困難去勘測因為他們十分微弱，甚至愛因斯坦都不確定他們是否真實存在並且被發現。經過幾十年的研究，科學家在2016年報導了在雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)發現的第一個有關引力波的直接證據。　　黑洞vs蟲洞　　引力波天文臺偵察到超過20次巨大的碰撞在十分密集且大規模的物體之間發生例如黑洞與中子星。但是，理論上可能存在更多的外來物體，如蟲洞，他們之間的碰撞可能也會產生引力信號被科學家偵察到。
  • 當蟲洞遇上黑洞,故事將會如何發展?
    引力波極其困難去勘測因為他們十分微弱，甚至愛因斯坦都不確定他們是否真實存在並且被發現。愛因斯坦的廣義相對論允許蟲洞存在的可能性，儘管它們是否真實存在是另一件事。 原則上，所有蟲洞都是不穩定的，打開就瞬間關閉。使它們打開並且可以穿過的唯一方法是所謂的「負質量」物質的奇異形式。這種奇異物質有著奇怪的特性，包括從一個標準的引力場飛離而不是像普通物質一樣朝它墜落。無人知道這種奇特物質是否真實存在。
  • 黑洞落入蟲洞會發生什麼？出現一種神秘引力波！
    據國外媒體報導，黑洞落入蟲洞會發生什麼呢？最新研究推測稱，如果蟲洞真實存在，那麼完全可以吞下黑洞。天文學家認為他們可能利用被稱為引力波的時空漣漪探測到黑洞落入蟲洞，但前提是蟲洞確實存在，並且蟲洞吞下黑洞的事件可能發生過。
  • 如果蟲洞真實存在 那麼完全可以吞下黑洞
    蟲洞是時空中的隧道，理論上它可以在時空任何區域旅行，甚至進入另一個宇宙，愛因斯坦廣義相對論允許蟲洞存在，儘管它們是否存在是另一回事。原則上講，所有蟲洞都是不穩定的，一旦打開就會立即關閉。兩者主要區別是，理論上沒有任何物質可以在進入黑洞後再次返回蟲洞，黑洞引力超過光速的臨界速度，而任何進入蟲洞的物體理論上可以反向運動。假設蟲洞可能存在，科學家研究了黑洞環繞蟲洞運行時產生的引力信號，並發表了一篇論文報告，探究分析了當黑洞進入蟲洞會發生什麼？是否從蟲洞另一端離開進入時空的另一端？假設黑洞和蟲洞彼此引力結合在一起，黑洞落入蟲洞，之後將在蟲洞另一端出現。