引力波再添新证据！疑似黑洞“解剖”中子星，有何亮点？

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《科学》杂志上周三消息：美国东部时间8月14日17时10分39秒，美国东、西海岸LIGO和意大利Virgo三个设备同时探测到一个全新的引力波脉冲，“约9亿光年外，高度疑似黑洞和中子星螺旋碰撞，并产生了时空涟漪”，即引力波。

图片来源：Science

引力波是100多年前爱因斯坦基于广义相对论提出的物理猜想，科学家们借助aLIGO(LIGO升级版)、Virgo等设备已多次证实了引力波的存在，而此次发现也只是诸多证据中的一个。那又是因什么样的亮点，再一次引起业界高度关注呢？

本文分三个章节：

第一节，通过类比，用更通俗语言粗浅讲述“什么是引力波”；

第二节，简要说明“举世界之力探究引力波，对人类有何价值和意义”；

第三节，本次引力波事件，区别何在？

专业人士及熟知引力波的同学，可以跳过前两节。

一、听说过“引力波”，但不知道是个啥？

引力波是一种时空涟漪，如同水面涟漪称之为水波一样，是能量向外发散的一种方式，只是引力波是由引力引起。

当然，不是说只要有引力就一定有引力波。单有引力只会出现时空弯曲，引力波则须有质量的物体在引力作用下做非匀变速运动。

比如双中子星合并，两者距离减小的过程中使得加速度逐渐增大，相互绕转频率升高。该系统下的时空弯曲无法保持稳定状态，于是产生了时空涟漪。

这一过程同样可以类比水波：单有石子和水面不一定有水波，必须是从石子接触水面那一刻起，至完全没入水中这一段时间内，两者非均匀接触过程才会产生水波。反之亦然。

引力波的大小取决于物体质量和绕转频率，因而只有像中子星、黑洞等体积小而质量大的天体，其合并过程产生的引力波才相对容易被探测到。

不过由于引力波源距离地球通常太过遥远，等到达地球时其造成的形变尺寸数量级往往不足10^-21m，而原子直径数量级一般才10^-10m(质子/电子直径约为10^-15m)，因此要想探测到引力波依旧非常困难。

二、探测引力波，到底有何意义？

1、探究天体内部结构

引力波是时空的形变感应，传播不需要借助任何物质，相对于电磁波其还有更独特优势：引力波几乎不会被物质(原子)干扰和吸收，比中微子具有更强的空间穿透能力，波源位置也更容易准确判断。

幽灵粒子-中微子

由于任何原子都可以发射和吸收电磁波，因而即使是剧烈宇宙事件发出的强电磁波，除去空间发散导致强度削弱外，在传播过程中还会被途径原子干扰、散射、吸收。这使得到在地面接收到的电磁信号极度微弱，极易被其他宇宙噪声湮没，而且还很难判断准确(方向)来源。

由于电磁波的穿透力相对不足，故而人们对遥远天体的研究，往往只能局限于星体表面。借助引力波，天文学家可以获得天体内部结构及活动数据，例如黑洞、超新星及恒星演化等。

2、揭开宇宙起源之谜

另外，基于宇宙起源说之一的“奇点大爆炸”理论，“婴儿宇宙”时期极高密度的物质对电磁波不透明，而引力波的强穿透力则不受此限制。如果能探测到“原初引力波”，不仅可以证实“大爆炸”理论，还有助于人们对“婴儿宇宙”的了解。

当前，科学家们对早期宇宙的研究仅限于微波背景辐射(CMB)。但CMB只能反映宇宙诞生38万年之后的情况，且波段非常有限，在宇宙空间具有各自同性，不能给人们带来足够及更早的宇宙信息。

原初引力波，可以称之为“宇宙原始化石”。

3、证实虫洞及白洞的存在

根据爱因斯坦广义相对论，引力及引力场的本质是时空弯曲，弯曲时空的曲率1/r(r为天体半径)与r成反比。

那么，黑洞的实体半径r相对于塌缩前原始恒星的半径R，r的取值可以近似为0，所以黑洞曲率(引力场)则趋近于∞，以致光都无法逃逸。

如果说“大爆炸”之前的奇点是一个超级质量黑洞，其引力场无限大，那宇宙中必然还存在引力场为0的区域——虫洞，以及引力场为负值、专门负责物质外流(向外喷射)的区域——白洞。

虫洞是连接黑洞与白洞的桥梁，也是科幻系列中实现时空穿越的通道。虫洞、白洞的引力场与常规物质引力场有着明显区别，对于不会被常规物质吸收的引力场，途径这些区域时会被显著稀释或抵消削弱。

如果能探测到此类异常引力波信号，那不仅能证实虫洞、白洞的存在，还可以帮助人类准确找到它们的位置。那么，借助虫洞实现时空穿越也就不在是科幻。

4、寻找暗物质和暗能量

暗物质和暗能量虽然尚未被证实，但科学家们相信它的存在。

而暗物质和暗能量除了具有引力特性外，人类似乎再也找不到更多的切入点进行探测。因而，引力波也成为目前探测暗物质和暗能量的唯一办法。

三、此次引力波事件，又有何不同之处？

以上引力波的探究意义和应用价值似乎还有点遥远，人类或许得上百年甚至几千年的努力付出。但任何一项成功，都离不开前期的基础探索。

自2015年12月人类首次探测到引力波以来，期间又探测到十多次引力波事件及至少22次“候选”引力波事件。遗憾的是，这些事件均出自“黑洞-黑洞”和“中子星-中子星”合并。

致密度类同的天体合并，引力波信号差异化不足，波源持续周期较短，我们只能知道事件是否发生，很难获得有关此类天体的更多数据。

黑洞质量一般会大于5个太阳质量，中子星一般在1~3个太阳质量。此次事件的两个天体，质量刚好满足这一数值区间，因而“黑洞-中子星”碰撞的可能性极大。

而如果确实为“黑洞-中子星”事件，那在碰撞之前，黑洞会剥洋葱一样逐层“解剖”中子星。因此，除了能为引力波猜想又添一新例证外，还有助于人们了解致密中子星的内部构成，这正是科学家们所期待的。

图片来源：LIGO (有编辑)

本文由“一周刊”首创，部分图片来源于网络(有编辑)，首发于今日头条，转载请备注。

番后篇：

基于引力波的研究价值和应用前景，中国在此领域也将积极参与探测，先后制定了“太极计划”、“天琴计划”和“阿里实验计划”。

其中，“太极计划”是于2033年前后，在太空架设三枚探测卫星，三颗卫星构成间距300万公里的等边三角形。

参考来源：

1、Science：Scientists may have spotted a black hole and a neutron star colliding，Aug. 16, 2019.

2、Annual Reviews：Gravitational Wave Astronomy，Volume 54, 2004

3、人民网：中科院提出引力波探测“空间太极计划”，2016年02月17日。

原文地址：今日头条