引力波回聲可能是“攪局者”

　　今年2月，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次發現了黑洞合並產生引力波的証據，這被視為是對愛因斯坦廣義相對論的一次有力証明。但英國《自然》雜志網站近日刊文稱，具有反諷意味的是，這一發現似乎也是廣義相對論在黑洞邊緣會失效的首個証據——物理學家們對LIGO公開發表的數據進行認真分析后表示，他們在黑洞邊緣發現了引力波的“回聲”，這似乎違背了廣義相對論。

　　此前物理學家們曾推測，廣義相對論在某些極端情況下（比如黑洞中央）可能會失效，而這些回聲或許表明，相對論會在遠離黑洞中央的邊緣失效。隨著研究的進一步深入，將有更多數據出現，如果這些回聲消失，那麼，廣義相對論又通過了一次嚴苛測試﹔但如果它們一直存在，這將是一個重大發現。

　　黑洞事件視界是矛盾集中點

　　黑洞的經典圖像來源於愛因斯坦的廣義相對論：一個巨大的物體將時空扭曲，在擁有足夠質量的情況下，時空曲率增大，連光都無法逃離，這些物體因此得名黑洞。根據這一模型，不幸進入黑洞邊界——事件視界的萬事萬物將被黑洞完全摧毀。正如最新研究負責人之一、加拿大滑鐵盧大學的宇宙學家尼亞什·阿弗肖迪所說：“黑洞就像一個無底坑。”

　　但在2012年，加州物理學家們意識到，如果量子物理是正確的，那黑洞的事件視界應該被一個“火牆”取代，這個“火牆”是一個由高能粒子組成的環，會將任何通過的物質烤焦，但這又違背了廣義相對論﹔如果黑洞沒有“火牆”，則暗示量子理論是錯誤的。所以，廣義相對論和量子理論在此發生了沖突。

　　其他與廣義相對論矛盾的新奇理論也預測，黑洞事件視界存在某些結構，比如，某些版本的弦論聲稱，黑洞是個“毛球”——纏繞在一起的能量線，事件視界表面是毛茸茸的，而非界限清楚的。阿弗肖迪表示，迄今為止，我們似乎沒有任何辦法凝視事件視界，發現那裡具體存在“何方神聖”。

　　回聲或是解決問題的鑰匙

　　不過，情況在今年2月份發生了變化。LIGO團隊宣布，探測到了首個引力波証據，這一引力波由兩個黑洞合並生成。葡萄牙裡斯本高級技術學院的維托爾·卡多蘇領導的物理學家團隊很快提出，如果黑洞的事件視界存在一個“火牆”（這一點違背了廣義相對論），那麼這些黑洞的合並除了會爆發出引力波外，可能也會釋放出一系列回聲。

　　回聲之所以會出現，是因為“火牆”或任何其他結構會在傳統的黑洞事件視界制造出一個特殊的區域。這個區域的內邊緣是傳統的事件視界，進入內邊緣以內沒有光子能逃脫。外邊緣孔隙多一點，穿過這個邊界的光子有些會被黑洞捕獲，但有些可能會逃出。這一影響也會部分地捕獲由黑洞合並釋放的引力波，它們將在內外邊緣之間彈來彈去，每次逃出一些，從而產生回聲。

　　阿弗肖迪團隊構造了一個簡單的模型，用鏡面代替傳統的黑洞事件視界，並在其上應用LIGO迄今捕獲到的3次黑洞合並的屬性。結果表明，如果黑洞事件視界存在任何結構，那麼黑洞合並的引力波信號也會伴隨著周期性並逐步衰減的回聲，重復的回聲之間精確的時間間隔約為0.1秒、0.2秒、0.3秒。有趣的是，當他們研究LIGO數據時發現，所有三次合並釋放出的引力波之后都伴隨有連續的回聲，時間間隔正是預測的間隔。

　　更多數據將証實或証偽

　　阿弗肖迪說，如果把所有黑洞合並事件都考慮進去，置信度為99.6%（2.9西格瑪），但這並沒有達到宣稱一個發現所需要的5西格瑪，為了確保這些回聲並非噪音，科學家們必須在未來發現的黑洞合並中找到這樣的回聲。

　　據麻省理工學院（MIT）官網近日消息，在過去一年中，科學家改進、強化了LIGO系統的激光器、電子設備以及光學設備等性能，使LIGO的靈敏度提高了10％到25％。科學家希望，升級后的LIGO能探測到宇宙深處發出的更多、更頻繁的引力波信號及引發引力波信號的宇宙極端現象。阿弗肖迪說：“升級后的LIGO提供的更精確數據將有助於我們在未來兩年內証實或証偽這一發現。”

　　LIGO團隊成員、德國馬克斯普朗克引力物理學研究所的物理學家亞歷桑德拉·波南諾說，LIGO科學家正在對回聲信號進行分析。而且他認為，阿弗肖迪使用的鏡面模型太過粗糙，因此很難確定究竟是“火牆”“毛球”還是其他什麼結構制造出了這種回聲。他說，更復雜的模型或許可以通過預測回聲的振幅及消亡速度，來確定制造回聲的“幕后推手”。

　　盡管該團隊的論文提供了背離廣義相對論的線索，但加州大學聖巴巴拉分校的黑洞研究員斯蒂芬·基丁斯說，迄今為止，這些僅僅只是線索。“未來，LIGO和其他探測器提供的數據，或能讓我們對這一新的物理學領域進行研究。”（記者 劉霞）