《自然》刊文讲解引力波或可解决的六大宇宙问题

17世纪末，牛顿发现了万有引力，对于有质量的物体也是如此。20世纪初，爱因斯坦发表了他的广义相对论，提出重力实际上是由质量引起的时空变形。2012年，欧洲粒子物理研究所通过大型强子对撞机发现了希格斯玻色子，解释了为什么粒子有质量，连接了希格斯场、质量和时空。

现在，人类第一次探测到引力波——两个黑洞碰撞产生的时空涟漪。这不仅证实了爱因斯坦近100年前对引力波的预测，而且具有更重要的意义。用斯蒂芬·霍金的话说，引力波为人们观察宇宙提供了一种新的方式。

最近，《自然》发表了一篇杂项文章，解释了人类可以用引力波解决的六个普遍问题。

黑洞真的存在吗？

LIGO发现了黑洞的合并。一个重要的科学意义是确认黑洞的存在。至少，正如广义相对论所预言的，它们是由纯真空和弯曲时空组成的完美圆形物体。天文学家有大量关于黑洞的证据，但以前的证据来自对恒星和超热气体的观察，而不是黑洞本身。

美国普林斯顿大学的广义相对论模拟专家弗朗西斯·普雷托里乌斯说:“科学界对包括我在内的黑洞已经厌倦了，我们认为这是理所当然的。但如果你仔细想想，这个预测有多惊人，我们真的需要惊人的证据。”

LIGO的信号提供了这一证据，并证实了两个黑洞的合并过程与预测是一致的。当两个黑洞开始相互靠近时，它们以引力波的形式辐射能量。LIGO探测到了这些海浪独特的声音，就像鸟儿歌唱一样。科学家称它们为“唧唧声”。这使得科学家能够探测到两个黑洞的质量:一个是太阳质量的36倍，另一个是太阳质量的29倍。

接下来，黑洞融合在一起。它们将融合成一个完美的球体，但首先，正如LIGO所见，引力波以逐渐衰减的波纹的形式辐射出去。

引力波以光速传播吗？

当科学家开始将LIGO的观测结果与其他类型的望远镜进行比较时，首先要检查的是这些信号是否同时到达。

物理学家推测重力以被称为“引力子”的粒子的形式传播，就像光子一样。如果引力子像光子，那么它就没有质量，引力波将以光速传播，这与广义相对论中引力波速度的预测是一致的。引力波的速度会受到宇宙加速膨胀的影响，但这种影响只能在很长距离上表现出来，而LIGO探测距离的影响可以忽略不计。

但是引力子也可能有微小的质量，这意味着引力波比光速慢。如果是这样的话，LIGO和处女座探测到的引力波到达地球的时间将比其他传统观测站探测到的同一事件中发射的伽马射线稍长，这将对基础物理学产生重大影响。

时空是由宇宙弦组成的吗？

如果科学家探测到的引力波来自宇宙弦，它将带来更多奇怪的发现。科学家假设宇宙弦是时空弯曲的缺陷，极其纤细，但延伸至整个宇宙。它们可能与弦理论有关，也可能与弦理论无关。研究人员预测，如果宇宙弦确实存在，它们可能偶尔会扭结在一起。如果一根弦断裂，引力波会突然释放，然后被探测器探测到，比如LIGO和处女座。

中子星不均匀吗？

中子星是较大恒星在自身重力作用下坍缩的碎片。它们非常致密，以至于它们的电子和质子融合成中子。人们对这种极端物理学知之甚少，但引力波为研究这些现象打开了一扇独特的窗户。例如，中子星表面的强大引力往往会将它们变成近乎完美的球体，但一些研究人员认为，在它们的表面可能仍有“山脉”——虽然只有几毫米高，但它们使直径只有10公里左右的中子星略微不对称。中子星通常旋转非常快。这种不对称的质量分布会扭曲空间和时间，产生连续的正弦引力波信号，辐射能量，减慢中子星的旋转速度。

一对相互环绕的中子星也会产生连续的信号。像黑洞一样，这些恒星盘旋并最终融合，但它们将变成什么可能与黑洞非常不同。普雷托里乌斯说:“有许多可能性，取决于它们的质量和中子物质产生的压力。”例如，合并可能是一颗巨大的中子星，或者它可能会立即坍缩成一个黑洞。

是什么导致了恒星爆发？

当大质量恒星停止发光并向内坍缩时，黑洞和中子星就会形成。天体物理学家认为，正是这个过程为第二类超新星爆炸提供能量。仅仅模拟这样的超新星爆炸并不能清楚地解释是什么点燃了它们。根据预测，真正的超新星爆炸会产生引力波。聆听这些引力波有望找到答案。研究爆炸的波形、声音大小、频率及其与超新星爆炸的关系将有助于测试现有的各种模型。

宇宙膨胀的速度有多快？

宇宙膨胀意味着远离我们银河系的物体看起来比实际上更红，因为它们发出的光在传播过程中变长了。通过比较这些星系的红移和它们离我们的距离，可以估计宇宙的膨胀速度。然而，这个距离通常是由Ia型超新星爆炸的亮度来计算的——这个方法有很大的不确定性。

如果世界各地的多个引力波探测器探测到来自同一个中子星合并的信号，信号的绝对体积可以一起估计，揭示合并离我们有多远，估计信号来自哪个方向，并推断哪个星系正在合并。将星系的红移与引力波测量的合并距离进行比较，可以独立地估计宇宙膨胀的速度，这可能比现有方法获得的数据更精确。