70年前隨手瞎編的一種星星，現(xiàn)在好像要成真了？

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“女士們，先生們，我們探測到了引力波！”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（LIGO）的執(zhí)行主任，賴茨表示，在 2015 年 9 月 14 日，天文臺終于探測到了時空漣漪，而這正是阿爾伯特·愛因斯坦在 1916 年所預(yù)言的。這些漣漪是由十億多光年外兩個黑洞的碰撞所引起的。

十年過去，引力波已經(jīng)為我們提供了大量有關(guān)其來源天體的信息，尤其是黑洞。但是，該領(lǐng)域的研究還遠未結(jié)束。事實上，來自劍橋大學(xué)的物理學(xué)家最近在一系列研究的基礎(chǔ)上提出，并非所有看起來像黑洞的天體就一定是黑洞——這一研究也有望幫助解開暗物質(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）提出了萬有引力定律，描述了兩個大質(zhì)量物體之間的引力吸引。這一定律在此后很長時間內(nèi)無人能夠撼動，直到1905年愛因斯坦發(fā)表了狹義相對論，指出宇宙中存在一個絕對的速度極限，任何物體的運動速度都無法超過光速，即大約每秒30萬公里。而這與牛爵爺?shù)挠^點相悖，牛頓認為引力的作用是瞬時的：如果把太陽移走，地球上會立刻感受到影響。

之后愛因斯坦自己解決了這一問題，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。一個常用的類比是放在蹦床上的保齡球。保齡球會在蹦床上壓出一個凹陷，使其表面發(fā)生彎曲，因此放在附近的彈珠會順著凹陷滾向保齡球。根據(jù)愛因斯坦的理論，大質(zhì)量天體會以類似的方式彎曲時空，導(dǎo)致質(zhì)量較小的天體被其吸引。

愛因斯坦的廣義相對論的一個推論便是，當大量物質(zhì)集中在一小塊空間區(qū)域中時，其運動在理論上就會產(chǎn)生一種能夠跨越時空并被感受到的漣漪。這種漣漪后來便被稱為引力波。

“愛因斯坦在提出他的理論之后很快就意識到，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)了一場持續(xù)近半個世紀的爭論。直到20世紀50年代末和60年代初，人們才認識到引力波不僅僅是愛因斯坦理論的一種數(shù)學(xué)結(jié)果，而且還是一種真實的物理現(xiàn)象。這也促使人們開始了探測引力波的初步嘗試。”

人們從研究開始就已經(jīng)認識到，引力波極其微弱。斯佩爾哈克表示：“當引力波穿過你的身體時，你什么也感覺不到。”在隨后的幾十年里，為了探測引力波，人們研發(fā)出了極其精密的測量儀器。最終，在 2015 年 9 月 14 日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）成功探測到了引力波。并且經(jīng)認定，該引力波源于 10 億多光年之外兩個黑洞的碰撞。2016 年 2 月，官方正式宣布了這項革命性的發(fā)現(xiàn)。

自那以后探測到的所有引力波信號，都被認為要么源于成對的黑洞，要么源于另一種成對的被稱為中子星的致密天體（這類成對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。“正是在它們進行高速的相互繞轉(zhuǎn)運動時，引力波被釋放了出來。在這個過程中，引力波會變得越來越強，直至它們最終相撞，并且這通常會產(chǎn)生一個新的黑洞。也正是在那一刻，引力波信號會迅速衰減。”

物理學(xué)家之所以知道這些，并非因為他們直接觀測到了雙星系統(tǒng)。相反，他們是通過愛因斯坦的理論進行計算，推斷出了哪類天體有可能發(fā)出他們所探測到的信號（基于這樣的計算，他們能夠生成出像下面這樣的計算機模擬畫面）。

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，正是基于這些細微的差異，我們才能夠通過觀測到的引力波信號，推斷出產(chǎn)生該信號的黑洞或中子星的具體性質(zhì)。”

當你手里有一把錘子時……

由于引力波攜帶著其來源天體的信息，它們?yōu)槲覀兲峁┝艘环N觀測宇宙的全新工具。在首次探測到引力波以來的十年里，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)的存在提供了首個觀測證據(jù)，還幫助科學(xué)家們對宇宙中黑洞的族群分布進行了調(diào)查。

但與此同時，物理學(xué)家們也陷入了某種困境。當他們基于引力波信號來識別某個天體或事件時，這就好比警察將犯罪現(xiàn)場提取的指紋與警方數(shù)據(jù)庫中的記錄進行比對。然而，這個引力波“指紋”數(shù)據(jù)庫是通過理論推導(dǎo)建立的。換句話說也就是，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)，然后計算出它們對應(yīng)的指紋應(yīng)該是什么樣子。

然而，在犯罪現(xiàn)場留下指紋的人可能并不在警方的檔案中，此時如果在數(shù)據(jù)庫里尋找“近似匹配”，就會指向錯誤的嫌疑人。同樣地，引力波數(shù)據(jù)庫中的近似匹配永遠只會將結(jié)果指向黑洞或中子星的合并，但實際上，這個指紋可能源于某種截然不同的未知天體。如此一來，將有可能永遠無法發(fā)現(xiàn)真正的信號源。正所謂，當你手里有一把錘子時，看什么都像釘子。

基于這個原因，包括斯佩爾哈克及其同事在內(nèi)的物理學(xué)家們，一直致力于擴充現(xiàn)有的引力波指紋數(shù)據(jù)庫。為此，他們引入了一類尚無法證實是否真實存在的假想天體：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米子的粒子構(gòu)成的，”斯佩爾哈克表示。費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 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。“惠勒曾試圖計算光子是否可能聚集形成星體，但這并未成功。因為光子過于活躍，所以它們很難形成穩(wěn)定、長壽命的平衡態(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)家們設(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，我們也無法直接觀測到它們。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)遍布整個宇宙——因為能夠觀測到它產(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，就足以讓玻色子星成為一個極具吸引力的科學(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。盡管我們無法直接看到黑洞，但其強大的引力會彎曲周圍的光線，讓光線也環(huán)繞著其運動，從而形成一個光環(huán)。而這個光環(huán)的性質(zhì)，決定了地球上的望遠鏡最終能觀測到黑洞周圍的高溫等離子體會呈現(xiàn)出怎樣的形態(tài)。

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

借助數(shù)學(xué)工具對玻色子星模型的分析，物理學(xué)家計算出，某些特定類型的玻色子星同樣會擁有光環(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獨特的理論優(yōu)勢。盡管黑洞的存在已基本成為學(xué)界共識，但它們?nèi)园殡S著一些令物理學(xué)家感到困擾的理論問題。例如，黑洞中心存在一個物質(zhì)密度趨于無限大的奇點；另外，至今仍無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際上可能并非真正的黑洞。這一設(shè)想，無疑為物理學(xué)界提供了一個激動人心，令人興奮的探索方向。

轉(zhuǎn)瞬即逝的星體？

那么，隨之而來的一個有趣問題是：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)在其引力波信號中留下的“指紋”，看起來與雙黑洞系統(tǒng)的極為相似，這進一步印證了玻色子星作為黑洞“模仿者”的可能性。

研究團隊數(shù)值模擬的一張快照，展示了兩個玻色子星的并合過程。圖片由 Tamara Evstafyeva 使用 GRChombo 代碼制作，是GRTLCollaboration 合作項目的一部分。

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。“在過去的五到十年里，學(xué)界一直有觀點認為，像玻色子星這樣看似黑洞的天體，在物理上可能是不切實際的，”斯塔倫斯表示。

“當時的觀點是，如果在特定條件下對這樣的天體施加輕微的擾動，它們就會坍縮成一個真正的黑洞。如果這是真的，那么研究所謂的黑洞模仿者就沒有任何意義了，因為它們根本沒有存在的機會。但是，我們的論文表明，至少在數(shù)值計算上，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

下一代引力波探測器有望在約十年后投入使用，其精度將比現(xiàn)有的探測器更高，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”方面存在的細微差異，或許在未來能夠被探測到。

這并不意味著物理學(xué)家真的指望有一天能觀測到像教科書里所描述的那種玻色子星——能找到一個70 年前憑直覺心血來潮構(gòu)想出來的天體，將會是極大的僥幸。但這并不是重點。其實玻色子星理論充當?shù)氖且环N理論代表，換句話說也就是，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。

“也許我們在未來觀測到的一切都可以完全用黑洞和中子星的理論來解釋，”斯佩爾哈克說。“但也可能有一天，我們會觀察到一些東西，與玻色子星的計算模型更為吻合。屆時我們就能知道，宇宙中確實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。接著人們開始提出各種各樣的假說，然后有人就撞了大運。"在這里，這個"大運"指的就是諾貝爾物理學(xué)獎（不是真的大運）。所以，無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"中獎彩票"。

作者：Marianne Freiberger

翻譯：LogicMoriaty

審校：7號機

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【互動問題：“當你手里只有一把錘子時，看什么都像釘子。”因為我們只認識黑洞，差點就把玻色子星也當成了黑洞。你在科研、學(xué)習(xí)或日常生活中，有沒有經(jīng)歷過類似這種因為“先入為主”而被瘋狂打臉的時刻？】

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編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場