70年前隨手瞎編的一種星星，現(xiàn)在好像要成真了？

認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動(dòng)提出的問(wèn)題，嚴(yán)格按照互動(dòng)：你的答案格式在評(píng)論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由科學(xué)出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書(shū)籍《人類與微生物的貓鼠游戲》。

“女士們，先生們，我們探測(cè)到了引力波！”近十年前，大衛(wèi)·賴茨（David Reitze）在全球各地的歡呼與掌聲中宣布了這件事。作為激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的執(zhí)行主任，賴茨表示，在 2015 年 9 月 14 日，天文臺(tái)終于探測(cè)到了時(shí)空漣漪，而這正是阿爾伯特·愛(ài)因斯坦在 1916 年所預(yù)言的。這些漣漪是由十億多光年外兩個(gè)黑洞的碰撞所引起的。

十年過(guò)去，引力波已經(jīng)為我們提供了大量有關(guān)其來(lái)源天體的信息，尤其是黑洞。但是，該領(lǐng)域的研究還遠(yuǎn)未結(jié)束。事實(shí)上，來(lái)自劍橋大學(xué)的物理學(xué)家最近在一系列研究的基礎(chǔ)上提出，并非所有看起來(lái)像黑洞的天體就一定是黑洞——這一研究也有望幫助解開(kāi)暗物質(zhì)之謎。

什么是引力波？

顧名思義，引力波與引力有關(guān)。1687年，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）提出了萬(wàn)有引力定律，描述了兩個(gè)大質(zhì)量物體之間的引力吸引。這一定律在此后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)人能夠撼動(dòng)，直到1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了狹義相對(duì)論，指出宇宙中存在一個(gè)絕對(duì)的速度極限，任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都無(wú)法超過(guò)光速，即大約每秒30萬(wàn)公里。而這與牛爵爺?shù)挠^點(diǎn)相悖，牛頓認(rèn)為引力的作用是瞬時(shí)的：如果把太陽(yáng)移走，地球上會(huì)立刻感受到影響。

之后愛(ài)因斯坦自己解決了這一問(wèn)題，指出引力并非以某種神秘的方式在以太中傳播的力，而是空間彎曲的結(jié)果。一個(gè)常用的類比是放在蹦床上的保齡球。保齡球會(huì)在蹦床上壓出一個(gè)凹陷，使其表面發(fā)生彎曲，因此放在附近的彈珠會(huì)順著凹陷滾向保齡球。根據(jù)愛(ài)因斯坦的理論，大質(zhì)量天體會(huì)以類似的方式彎曲時(shí)空，導(dǎo)致質(zhì)量較小的天體被其吸引。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論的一個(gè)推論便是，當(dāng)大量物質(zhì)集中在一小塊空間區(qū)域中時(shí)，其運(yùn)動(dòng)在理論上就會(huì)產(chǎn)生一種能夠跨越時(shí)空并被感受到的漣漪。這種漣漪后來(lái)便被稱為引力波。

“愛(ài)因斯坦在提出他的理論之后很快就意識(shí)到，這種波正是他提出的方程的解，”劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與理論物理系（DAMTP）斯蒂芬·霍金理論宇宙學(xué)中心的理論物理學(xué)教授烏爾里希·斯佩爾哈克（Ulrich Sperhake）解釋道。“這引發(fā)了一場(chǎng)持續(xù)近半個(gè)世紀(jì)的爭(zhēng)論。直到20世紀(jì)50年代末和60年代初，人們才認(rèn)識(shí)到引力波不僅僅是愛(ài)因斯坦理論的一種數(shù)學(xué)結(jié)果，而且還是一種真實(shí)的物理現(xiàn)象。這也促使人們開(kāi)始了探測(cè)引力波的初步嘗試。”

人們從研究開(kāi)始就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，引力波極其微弱。斯佩爾哈克表示：“當(dāng)引力波穿過(guò)你的身體時(shí)，你什么也感覺(jué)不到。”在隨后的幾十年里，為了探測(cè)引力波，人們研發(fā)出了極其精密的測(cè)量?jī)x器。最終，在 2015 年 9 月 14 日，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）成功探測(cè)到了引力波。并且經(jīng)認(rèn)定，該引力波源于 10 億多光年之外兩個(gè)黑洞的碰撞。2016 年 2 月，官方正式宣布了這項(xiàng)革命性的發(fā)現(xiàn)。

自那以后探測(cè)到的所有引力波信號(hào)，都被認(rèn)為要么源于成對(duì)的黑洞，要么源于另一種成對(duì)的被稱為中子星的致密天體（這類成對(duì)的天體被稱為雙星系統(tǒng)，binaries）。“由于這些天體的體積較小，它們彼此可以靠得非常近而不真的撞上，”斯佩爾哈克的研究生塞佩·斯塔倫斯（Seppe Staelens）表示。“正是在它們進(jìn)行高速的相互繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，引力波被釋放了出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，引力波會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)，直至它們最終相撞，并且這通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的黑洞。也正是在那一刻，引力波信號(hào)會(huì)迅速衰減。”

物理學(xué)家之所以知道這些，并非因?yàn)樗麄冎苯佑^測(cè)到了雙星系統(tǒng)。相反，他們是通過(guò)愛(ài)因斯坦的理論進(jìn)行計(jì)算，推斷出了哪類天體有可能發(fā)出他們所探測(cè)到的信號(hào)（基于這樣的計(jì)算，他們能夠生成出像下面這樣的計(jì)算機(jī)模擬畫(huà)面）。

雙黑洞合并事件GW 170104的模擬演示。馬克斯·普朗克引力物理研究所（Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik）

“引力波信號(hào)就像指紋一樣，”斯佩爾哈克表示。“你我的指紋雖然相似，但絕不相同。同樣地，正是基于這些細(xì)微的差異，我們才能夠通過(guò)觀測(cè)到的引力波信號(hào)，推斷出產(chǎn)生該信號(hào)的黑洞或中子星的具體性質(zhì)。”

當(dāng)你手里有一把錘子時(shí)……

由于引力波攜帶著其來(lái)源天體的信息，它們?yōu)槲覀兲峁┝艘环N觀測(cè)宇宙的全新工具。在首次探測(cè)到引力波以來(lái)的十年里，我們已經(jīng)借此了解到了很多事。例如，引力波不僅為雙黑洞系統(tǒng)的存在提供了首個(gè)觀測(cè)證據(jù)，還幫助科學(xué)家們對(duì)宇宙中黑洞的族群分布進(jìn)行了調(diào)查。

但與此同時(shí)，物理學(xué)家們也陷入了某種困境。當(dāng)他們基于引力波信號(hào)來(lái)識(shí)別某個(gè)天體或事件時(shí)，這就好比警察將犯罪現(xiàn)場(chǎng)提取的指紋與警方數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行比對(duì)。然而，這個(gè)引力波“指紋”數(shù)據(jù)庫(kù)是通過(guò)理論推導(dǎo)建立的。換句話說(shuō)也就是，物理學(xué)家預(yù)先設(shè)定具有某些特定屬性和參數(shù)的假想黑洞或中子星雙星系統(tǒng)，然后計(jì)算出它們對(duì)應(yīng)的指紋應(yīng)該是什么樣子。

然而，在犯罪現(xiàn)場(chǎng)留下指紋的人可能并不在警方的檔案中，此時(shí)如果在數(shù)據(jù)庫(kù)里尋找“近似匹配”，就會(huì)指向錯(cuò)誤的嫌疑人。同樣地，引力波數(shù)據(jù)庫(kù)中的近似匹配永遠(yuǎn)只會(huì)將結(jié)果指向黑洞或中子星的合并，但實(shí)際上，這個(gè)指紋可能源于某種截然不同的未知天體。如此一來(lái)，將有可能永遠(yuǎn)無(wú)法發(fā)現(xiàn)真正的信號(hào)源。正所謂，當(dāng)你手里有一把錘子時(shí)，看什么都像釘子。

基于這個(gè)原因，包括斯佩爾哈克及其同事在內(nèi)的物理學(xué)家們，一直致力于擴(kuò)充現(xiàn)有的引力波指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。為此，他們引入了一類尚無(wú)法證實(shí)是否真實(shí)存在的假想天體：玻色子星（boson stars）。

發(fā)明星體

“包括我們所在的星球在內(nèi)，我們已知的所有行星與恒星，都是由一類被稱為費(fèi)米子的粒子構(gòu)成的，”斯佩爾哈克表示。費(fèi)米子包含了諸如電子和質(zhì)子等我們熟知的粒子。但除此以外，還存在另一類被稱為玻色子的粒子。這類粒子包括光子，以及著名的希格斯玻色子。

"上世紀(jì) 50 年代中期，物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）曾思考：‘既然我們能看到由費(fèi)米子組成的星體，那為什么不能有由玻色子組成的星體呢？’”斯佩爾哈克說(shuō)。“惠勒曾試圖計(jì)算光子是否可能聚集形成星體，但這并未成功。因?yàn)楣庾舆^(guò)于活躍，所以它們很難形成穩(wěn)定、長(zhǎng)壽命的平衡態(tài)模型。但大約十年之后，人們提出：‘好吧，即便我們目前還不知道有什么合適的玻色子能用來(lái)構(gòu)成星體，但我們可以先在理論上假定它們存在。在數(shù)學(xué)層面上，我們完全知道應(yīng)該如何處理這類假想粒子。’”

其中一種假想玻色子是被稱為“軸子”（axion）的粒子。科學(xué)家們?cè)O(shè)想，玻色子星正是由與軸子極為相似的粒子構(gòu)成的。理論假設(shè)這類粒子不會(huì)與光發(fā)生相互作用，因此，即使玻色子星真的存在，我們也無(wú)法直接觀測(cè)到它們。這也就意味著，玻色子星成為了所謂“暗物質(zhì)”的候選者之一。我們相信暗物質(zhì)遍布整個(gè)宇宙——因?yàn)槟軌蛴^測(cè)到它產(chǎn)生的引力效應(yīng)——但物理學(xué)家至今仍未能確定暗物質(zhì)到底是什么。單憑這一點(diǎn)，就足以讓玻色子星成為一個(gè)極具吸引力的科學(xué)猜想和研究方向。

模仿黑洞

玻色子星這種不發(fā)光的特性也意味著，它能夠偽裝成黑洞。盡管我們無(wú)法直接看到黑洞，但其強(qiáng)大的引力會(huì)彎曲周圍的光線，讓光線也環(huán)繞著其運(yùn)動(dòng)，從而形成一個(gè)光環(huán)。而這個(gè)光環(huán)的性質(zhì)，決定了地球上的望遠(yuǎn)鏡最終能觀測(cè)到黑洞周圍的高溫等離子體會(huì)呈現(xiàn)出怎樣的形態(tài)。

這張照片發(fā)布于2019年，展示了被認(rèn)為是黑洞周圍的高溫等離子體圖像。圖片來(lái)源：事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（Event Horizon Telescope），基于 CC BY 4.0 許可。

借助數(shù)學(xué)工具對(duì)玻色子星模型的分析，物理學(xué)家計(jì)算出，某些特定類型的玻色子星同樣會(huì)擁有光環(huán)——而且乍一看可能和黑洞的光環(huán)非常像。“我們所擁有的關(guān)于黑洞存在的大多數(shù)觀測(cè)證據(jù)都與光環(huán)有關(guān)。所以任何擁有光環(huán)的天體都有可能被誤判為黑洞，”斯佩爾哈克表示。

這賦予了玻色子星又一項(xiàng)獨(dú)特的理論優(yōu)勢(shì)。盡管黑洞的存在已基本成為學(xué)界共識(shí)，但它們?nèi)园殡S著一些令物理學(xué)家感到困擾的理論問(wèn)題。例如，黑洞中心存在一個(gè)物質(zhì)密度趨于無(wú)限大的奇點(diǎn)；另外，至今仍無(wú)人知曉那些被黑洞吞噬的信息最終去向了哪里（根據(jù)物理定律，這些信息理應(yīng)是守恒的，不應(yīng)該憑空消失）。因此，那些看似黑洞的天體實(shí)際上可能并非真正的黑洞。這一設(shè)想，無(wú)疑為物理學(xué)界提供了一個(gè)激動(dòng)人心，令人興奮的探索方向。

轉(zhuǎn)瞬即逝的星體？

那么，隨之而來(lái)的一個(gè)有趣問(wèn)題是：假想的玻色子星雙星系統(tǒng)，是否也能產(chǎn)生類似于黑洞合并的引力波？在 2024 年發(fā)表的一篇論文中，斯佩爾哈克與其前研究生塔瑪拉·埃夫斯塔菲耶娃（Tamara Evstafyeva），以及伊索貝爾·M·羅梅羅-肖（Isobel M. Romero-Shaw）和米哈利斯·阿加索斯（Michalis Agathos）證明了答案是肯定的。這樣的雙星系統(tǒng)在其引力波信號(hào)中留下的“指紋”，看起來(lái)與雙黑洞系統(tǒng)的極為相似，這進(jìn)一步印證了玻色子星作為黑洞“模仿者”的可能性。

研究團(tuán)隊(duì)數(shù)值模擬的一張快照，展示了兩個(gè)玻色子星的并合過(guò)程。圖片由 Tamara Evstafyeva 使用 GRChombo 代碼制作，是GRTLCollaboration 合作項(xiàng)目的一部分。

在他們最近的研究中，加雷斯·阿圖羅·馬克斯（Gareth Arturo Marks，也是劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)與理論物理系的研究生）、斯塔倫斯、埃夫斯塔菲耶娃以及斯佩爾哈克，共同消除了一個(gè)令人擔(dān)憂的，關(guān)于玻色子星存在性可能的理論障礙。“在過(guò)去的五到十年里，學(xué)界一直有觀點(diǎn)認(rèn)為，像玻色子星這樣看似黑洞的天體，在物理上可能是不切實(shí)際的，”斯塔倫斯表示。

“當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)是，如果在特定條件下對(duì)這樣的天體施加輕微的擾動(dòng)，它們就會(huì)坍縮成一個(gè)真正的黑洞。如果這是真的，那么研究所謂的黑洞模仿者就沒(méi)有任何意義了，因?yàn)樗鼈兏緵](méi)有存在的機(jī)會(huì)。但是，我們的論文表明，至少在數(shù)值計(jì)算上，玻色子星并不像人們此前想象的那么極度不穩(wěn)定。這意味著它們?nèi)匀皇欠浅Ｓ腥さ暮诙茨７抡吆蜻x天體。”

從虛構(gòu)走向現(xiàn)實(shí)

下一代引力波探測(cè)器有望在約十年后投入使用，其精度將比現(xiàn)有的探測(cè)器更高，因此像黑洞雙星與理論上的玻色子星雙星這樣，在引力波“指紋”方面存在的細(xì)微差異，或許在未來(lái)能夠被探測(cè)到。

這并不意味著物理學(xué)家真的指望有一天能觀測(cè)到像教科書(shū)里所描述的那種玻色子星——能找到一個(gè)70 年前憑直覺(jué)心血來(lái)潮構(gòu)想出來(lái)的天體，將會(huì)是極大的僥幸。但這并不是重點(diǎn)。其實(shí)玻色子星理論充當(dāng)?shù)氖且环N理論代表，換句話說(shuō)也就是，它提供了一條指向各種尚待發(fā)現(xiàn)的超致密天體的理論線索。

“也許我們?cè)谖磥?lái)觀測(cè)到的一切都可以完全用黑洞和中子星的理論來(lái)解釋，”斯佩爾哈克說(shuō)。“但也可能有一天，我們會(huì)觀察到一些東西，與玻色子星的計(jì)算模型更為吻合。屆時(shí)我們就能知道，宇宙中確實(shí)存在著新的未知天體，不管它究竟是一顆玻色子星，還是我們尚未想到的某種天體。”

科學(xué)進(jìn)步往往就是這樣：你發(fā)現(xiàn)了某些與現(xiàn)有理論格格不入的現(xiàn)象。接著人們開(kāi)始提出各種各樣的假說(shuō)，然后有人就撞了大運(yùn)。"在這里，這個(gè)"大運(yùn)"指的就是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（不是真的大運(yùn)）。所以，無(wú)論玻色子星是否真的存在，它們或許都正握著那張理論物理人眼中最寶貴的"中獎(jiǎng)彩票"。

作者：Marianne Freiberger

翻譯：LogicMoriaty

審校：7號(hào)機(jī)

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今天我們將送出由科學(xué)出版社提供的《人類與微生物的貓鼠游戲》。

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【互動(dòng)問(wèn)題：“當(dāng)你手里只有一把錘子時(shí)，看什么都像釘子。”因?yàn)槲覀冎徽J(rèn)識(shí)黑洞，差點(diǎn)就把玻色子星也當(dāng)成了黑洞。你在科研、學(xué)習(xí)或日常生活中，有沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)類似這種因?yàn)椤跋热霝橹鳌倍化偪翊蚰樀臅r(shí)刻？】

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截止到本周四中午12：00，參與互動(dòng)的留言中點(diǎn)贊數(shù)排名第二、三、五的朋友將獲得我們送出的圖書(shū)一套（點(diǎn)贊數(shù)相同的留言記為并列，并列的后一名次序加一，如并列第二的后一位讀者記為第三名，以此類推）。

為了保證更多的朋友能夠參與獲獎(jiǎng)，過(guò)往四期內(nèi)獲過(guò)獎(jiǎng)的朋友不能再獲得獎(jiǎng)品，名次會(huì)依次順延

*本活動(dòng)僅限于微信平臺(tái)

編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)