蟲洞真的存在嗎?科學家提出一種觀測驗證方案!

2021-01-15 騰訊太空


騰訊太空報導,在2019年11月14日的《紐約時報》上,報導了來自中國揚州大學物理科學與技術學院引力與宇宙學研究中心的戴德昌教授與來自紐約水牛城大學物理系的斯託伊科維奇(D.Stojkovic)博士對於「可觀測蟲洞」的研究工作。


在這篇報導中,《紐約時報》還採訪了加州理工學院教授、2017年諾貝爾物理學獎得主、著名廣義相對論專家基普·索恩(Kip. Thorne)對蟲洞的看法。


基普·索恩認為,因為蟲洞現在還沒有被實驗證實,這給研究人員留下了很多可以自由發揮的空間。


戴教授與合作者的論文發表在2019年10月10日出版的《物理評論D》上,這篇論文認為,如果存在蟲洞,那麼通過黑洞附近的恆星的運動加速度,可以觀測到這個蟲洞帶來的物理效應。

 


蟲洞,是連接遙遠時空區域的一種快捷通道。它是愛因斯坦廣義引力定律的一種嚴格解,但是,在現實世界中的蟲洞,往往是不可穿越的——要想讓蟲洞可穿越,一般要求有具有負能量密度的物質來撐住這個蟲洞,而這在現實世界是很難做到的。

 

在戴教授與合作者的論文中,他們並不考慮蟲洞的存在性,而是假設蟲洞已經存在,那麼他們直接考慮這個蟲洞會帶來什麼樣可觀測的物理效應。

 

關於這個可觀測的物理效應,據《紐約時報》的報導,斯託伊科維奇是這樣說的:「引力是時空的一種性質,因此,當物體在蟲洞的一端搖晃起來的時候,在蟲洞的另一端能感受到這種搖晃。」

 


因此,斯託伊科維奇他們在論文中構造了一個簡單的「搖晃」模型。在這個模型中,在第一個宇宙中存在一個黑洞,這個黑洞的周圍有一個恆星繞著黑洞做橢圓軌道運動。在第二個宇宙中也存在一個黑洞,這個黑洞周圍有一個恆星繞著黑洞做近似的圓周運動。


這兩個黑洞之間是由蟲洞連接的,那麼,第一個宇宙中的恆星的橢圓運動的引力場變化會導致第二個宇宙中做近似圓周運動的恆星的軌道受到引力微擾,正是這個微擾,構造了一種對蟲洞的間接觀測。

 

為什麼這種對蟲洞的間接觀測是可能的呢?因為無論是什麼樣的蟲洞模型,蟲洞總是連接兩個黑洞的,因此引力場可以通過蟲洞從一個黑洞傳遞到另外一個黑洞。按照這個思路,蟲洞就好像是黑洞之間的引力傳送器,要想對蟲洞的物理效應進行觀測,首先就要找到黑洞。

 

 

在戴教授與合作者的論文中,他們構造了一個蟲洞,這個蟲洞連接了兩個黑洞(不考慮蟲洞與負能量密度的關係,假設蟲洞真的存在)。


在他們的模型中,在每個黑洞的周圍各存在一個恆星做橢圓運動。他們做了一些詳細的估算,最後得到了一個關鍵的公式:



這個公式描述的物理場景是這樣的:在第一個宇宙中存在一個黑洞,這個黑洞的周圍有一個質量為的恆星繞著黑洞做橢圓軌道運動,其半長軸ra與半短軸rp是給定的。在第二個宇宙中也存在一個黑洞,這黑洞周圍有一個恆星繞著黑洞做近似的圓周運動,這個圓周運動的半徑是r2。


這兩個黑洞之間是由蟲洞連接的,蟲洞的半徑是R。那麼,第一個宇宙中的恆星的橢圓運動的引力場變化會導致第二個宇宙中做近似圓周運動的恆星的軌道受到引力微擾,正是這個微擾,引起了其加速度的變化,它的加速度變化量為,通過測量就構造了一種對蟲洞的間接觀測。


這雖然不是一種對蟲洞的直接觀測,但這就好像以前在沒有直接探測到引力波的時候,通過雙星之間的軌道衰減也可以推斷引力波的存在一樣,這不失為一種科學的方法。

 


在銀河系的中心,就存在一個大質量的黑洞。這個黑洞的質量大約是太陽質量的400萬倍。



這個黑洞被稱為人馬座A*。而且,在人馬座A*附近,存在一個藍色的恆星S2,正圍繞著它做近似圓周運動。


S2的軌道周期為15.56±0.35年,近星點約為120個天文單位,相當於太陽和海王星距離的四倍。歐洲南方天文臺(ESO)從恆星光譜估計該恆星最初形成時的質量為太陽的14倍。

 


根據戴教授與合作者的論文,只要精確測定S2的加速度,就可以對蟲洞進行間接觀測(前提是假設銀河系中心黑洞通過一個蟲洞與另外一個宇宙中的某一個黑洞相連,而且那個黑洞周圍也有恆星繞著它在公轉)。

 

天文學家從1992年開始就已經對S2的軌道進行非常仔細的觀測,最好的觀測結果是在2018年5月做出的。


當時S2的軌道非常靠近人馬座A*,兩者距離大約為200億公裡(約120個天文單位),其軌道速度大約為7650km/s(約為光速的2.55%)。



在地球上有兩個研究小組分別使用凱克天文望遠鏡(Keck telescopes)和甚大望遠鏡(VLT)對S2進行了追蹤觀測。為了更精確的在大量恆星中精確定位這個恆星,研究人員使用了最先進的自適應光學技術,這項技術能有效抵消由地球大氣所造成的光線扭曲。


研究團隊使用VLT的四臺天文望遠鏡作為幹涉儀,將收集到的光組合在一起,其解析度相當於一臺直徑為130米的超級望遠鏡。這種幹涉技術本質上與最近拍攝第一張黑洞照片的技術類似。


最後,通過這些技術,研究人員可以跟蹤S2恆星在天空中的視路徑,他們可以通過恆星的都卜勒頻移測量它朝向或遠離地球的徑向速度(又稱視向速度)與加速度——這一方法與2019年諾貝爾物理學獎獎勵的發現地外行星的技術是類似的。最後,研究人員精確測定了S2恆星的加速度,其測量的精度達到了

 


但是,的加速度測定精度對觀測蟲洞來說是不夠的。在戴教授與合作者的論文中,他們指出,再經過幾年的研究,天文學家可以把S2的軌道測得更精確。

戴德昌教授表示:「只有當我們對S2的軌道的測量精度達到的時候,我們才可以判斷我們銀河系中心黑洞是不是通過一個蟲洞與另外一個宇宙中的黑洞連接的。」


因此,從目前的測量精度來看,我們對S2恆星的加速度的測量精度還不足觀測到蟲洞的物理效應,但隨著測量精度的提高,未來並不是完全沒有希望。


總得來說,無論蟲洞到底是不是可以用這種方式觀測,至少這是一篇有意義的論文。這篇論文把蟲洞的觀測作為一個物理課題正式提了出來,這是一種思想上的巨大進步。

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