黑洞與蟲洞相遇後結局眾多 但都繞不開引力波

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並合事件。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,據國外媒體報道,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。

黑洞與蟲洞相遇後結局眾多 但都繞不開引力波

兩個黑洞碰撞的想象圖

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」;接着,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: 或是源於蟲洞並合

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、岩土等是無法構造蟲洞的。

盡管困難重重,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年發現黑洞並合產生的引力波後,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年人們發現黑洞並合發出的引力波信號里有回音現象,即「反啾啾聲」。

「這就是本次研究的意義所在。因為回音現象表示並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,研究黑洞和蟲洞並合現象,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。這就意味着,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並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。

科學家從黑洞並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,盡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,那麼蟲洞可能會繞着黑洞運行,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着不確定性,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。

來源:cnBeta