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回溯时间:引力波能让我们窥见宇宙创生时刻吗?
回溯时间:引力波能让我们窥见宇宙创生时刻吗?
2016/2/22 2:29:55 | 浏览:909 | 评论:0
回溯时间:引力波能让我们窥见宇宙创生时刻吗?
 
哈勃空间望远镜眼中的宇宙深空

爱因斯坦再一次被证明是正确的:正如他在100年前所言,引力场发生的变化的确会像波纹一般在时空之海中泛起涟漪并向外传播。美国LIGO实验成功探测到13亿光年之外两个质量分别为36个太阳质量和29个太阳质量的黑洞在合并过程中产生的引力波信号。这两个黑洞在合并之后,形成一个质量为62倍太阳质量的黑洞,那么剩余的3倍太阳质量哪里去了?答案便是这强大的引力波。根据爱因斯坦最为著名的质能方程E=Mc2,这巨大的质量已经被转化为了能量的形式。

  这还只是开始。既然我们现在已经掌握了探测引力波的方法,那么我们就将有能力对宇宙中一些我们此前没有办法观测到的天体现象开展观测和研究,比如发生在早期宇宙中的超大质量黑洞合并事件等等。但我们能够向前回溯到多远?宇宙最初创生的大爆炸事件产生的原初引力波将是如何的?LIGO实验的成功能否在这方面对我们有所帮助?

回溯时间:引力波能让我们窥见宇宙创生时刻吗?
 
一个遥远星系核心存在的超大质量黑洞正在释放出强烈的喷流

  回溯时间

  尽管从恒星尺度上来说,此次引力波事件中牵涉的质量数值是非常巨大的,但相比超大质量黑洞,它们就显得微不足道了。天文学家们相信,在几乎每一个大型星系的核心部位都存在着类似的超大质量黑洞,其中也包括我们所在的银河系。有证据显示在银河系的核心位置隐藏着一个质量约为400万倍太阳质量的超大质量黑洞,这一数据是通过围绕其运行的大量恒星的轨道参数测算出来的。尽管听上去这似乎已经是巨无霸类别的超级黑洞了,但实际上,相比隐藏于那些最为巨大的星系核心的真正的超级黑洞,银河系中心的黑洞质量并非惊人,后者的质量往往可以达到数百亿倍的太阳质量。

  对于这样的超大质量黑洞,天文学家们有很多问题想要搞清楚。目前我们对这类黑洞的观测基本上都是间接进行的,主要手段就是对气体物质在被黑洞吞噬之前产生的剧烈辐射,包括可见光波段以及X射线等波段都会产生强烈的信号。科学家们知道黑洞能够通过对外部物质的吞噬实现自身的成长,但这一过程仍然充满着神秘感——星系中的大部分气体运动速度都是非常快的,距离黑洞的位置往往也比较遥远,黑洞要想获得足够的外部质量并非易事。那么既然情况是这样,那些如此巨大的超级黑洞究竟是从何而来的?

  有一种可能性,那就是黑洞之间发生了合并,从而造就出一批质量惊人的超级黑洞。然而要想真正发生这样的黑洞合并事件,那么这两个黑洞各自所在的星系也要发生碰撞与合并。在我们可观测到的宇宙范围内,这样的事件发生的几率相当低,这是因为星系之间往往相隔遥远的距离。但这样的情况在宇宙早期可能有所不同,当时的星系相互之间的距离相比今天要小得多。

  因此,如果能够探测到这类碰撞事件产生的引力波信号,这就意味着我们正在回溯时间,观测那些最为遥远的星系。来自那些星系所发出的光线是在宇宙刚刚诞生之后相对较早的时间出发的,此刻终于被我们观测到。这些信息将给予科学家们直接的线索,能够帮助他们判断这类事件在超级黑洞生命周期的早期阶段究竟起到了多么重要的作用。而这类事件的发生与我们自身的生存同样密切相关:黑洞成长过程中产生的大量电磁辐射在很大程度上决定了其所在的星系环境,从而决定了这个星系中运行的恒星、行星,以及生活在其中一颗行星上的我们是否能够拥有一个较为和平稳定的宇宙外部环境。

  不过,进行这样的观测将需要建造比LIGO实验大得多的探测设施,远远超过LIGO4公里长管道的尺度。计划中的eLISA实验将要发射3颗卫星并在太空组成一个三角形,其边长将超过地月距离。

  关于原初引力波的问题

  但即便是超大质量黑洞之间的碰撞也并非我们的终极目标。导致宇宙创生的大爆炸,尤其是紧随其后发生的宇宙急速膨胀时期,也就是所谓的“暴涨”时期,必定牵涉到大量物质以几乎光速的高速发生运动。这就意味着在此过程中一定会产生强烈的引力波。然而,其中最强烈的信号则应来自与整个宇宙相当的质量体。由于引力波辐射的典型波长要比释放出这种引力波的物质体更长,因此这种辐射本身的“波长”将和整个宇宙的大小相当。因此,不管是LIGO还是任何未来其他的探测设备,因为它们无一例外地都位于宇宙之中,因此它们都将无法探测到这一层面的引力波信号。

  因此,要想对这一层面的引力波进行探测,恐怕我们只能采取一些间接的方式,比如对其在宇宙微波背景辐射(CRB)中产生的效应进行观察,后者是宇宙大爆炸留下的余晖。

  当光线沿某一特定方向发生震荡,我们就说光线发生了偏振。如果引力波在宇宙微波背景辐射出现时便已经存在,那么它们就应该会在其中留下自己的蛛丝马迹,某种特殊的光线偏振模式信号,也就是所谓的“B模”(B modes)。数年前,在南极望远镜工作的科学家们曾经宣布在宇宙微波背景辐射信号中探测到B模信号,但最终研究人员意识到这实际上是宇宙尘埃产生的干扰信号,后者是能够对宇宙微波背景辐射信号产生扭曲的干扰源之一,非常生动地展示了开展这样的探测工作的难度之高。

  但即便困难重重,开展这样的研究工作将带来惊人的高回报。如果探测能够给出肯定的结果,那么这将从根本上证实宇宙暴涨阶段的存在,并解答诸多困扰着宇宙学研究的问题,如为何宇宙中的物质分布如此均匀。的确,想要找出这一宇宙创生时期的信号将是一项巨大的挑战,但请不要忘记,就在半个世纪之前,当科学家们首次提出对引力波进行探测的实验方案时,人们曾经同样认为这是天方夜谭。
(晨风)
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