引力波回声可能是“搅局者”

　　——LIGO数据暗示广义相对论在黑洞边缘失效

　　今年2月，激光干涉引力波天文台(LIGO)首次发现了黑洞合并产生引力波的证据，这被视为是对爱因斯坦广义相对论的一次有力证明。但英国《自然》杂志网站近日刊文称，具有反讽意味的是，这一发现似乎也是广义相对论在黑洞边缘会失效的首个证据——物理学家们对LIGO公开发表的数据进行认真分析后表示，他们在黑洞边缘发现了引力波的“回声”，这似乎违背了广义相对论。
　　此前物理学家们曾推测，广义相对论在某些极端情况下(比如黑洞中央)可能会失效，而这些回声或许表明，相对论会在远离黑洞中央的边缘失效。随着研究的进一步深入，将有更多数据出现，如果这些回声消失，那么，广义相对论又通过了一次严苛测试;但如果它们一直存在，这将是一个重大发现。
　　黑洞事件视界是矛盾集中点
　　黑洞的经典图像来源于爱因斯坦的广义相对论：一个巨大的物体将时空扭曲，在拥有足够质量的情况下，时空曲率增大，连光都无法逃离，这些物体因此得名黑洞。根据这一模型，不幸进入黑洞边界——事件视界的万事万物将被黑洞完全摧毁。正如最新研究负责人之一、加拿大滑铁卢大学的宇宙学家尼亚什·阿弗肖迪所说：“黑洞就像一个无底坑。”
　　但在2012年，加州物理学家们意识到，如果量子物理是正确的，那黑洞的事件视界应该被一个“火墙”取代，这个“火墙”是一个由高能粒子组成的环，会将任何通过的物质烤焦，但这又违背了广义相对论;如果黑洞没有“火墙”，则暗示量子理论是错误的。所以，广义相对论和量子理论在此发生了冲突。
　　其他与广义相对论矛盾的新奇理论也预测，黑洞事件视界存在某些结构，比如，某些版本的弦论声称，黑洞是个“毛球”——缠绕在一起的能量线，事件视界表面是毛茸茸的，而非界限清楚的。阿弗肖迪表示，迄今为止，我们似乎没有任何办法凝视事件视界，发现那里具体存在“何方神圣”。
　　回声或是解决问题的钥匙
　　不过，情况在今年2月份发生了变化。LIGO团队宣布，探测到了首个引力波证据，这一引力波由两个黑洞合并生成。葡萄牙里斯本高级技术学院的维托尔·卡多苏领导的物理学家团队很快提出，如果黑洞的事件视界存在一个“火墙”(这一点违背了广义相对论)，那么这些黑洞的合并除了会爆发出引力波外，可能也会释放出一系列回声。
　　回声之所以会出现，是因为“火墙”或任何其他结构会在传统的黑洞事件视界制造出一个特殊的区域。这个区域的内边缘是传统的事件视界，进入内边缘以内没有光子能逃脱。外边缘孔隙多一点，穿过这个边界的光子有些会被黑洞捕获，但有些可能会逃出。这一影响也会部分地捕获由黑洞合并释放的引力波，它们将在内外边缘之间弹来弹去，每次逃出一些，从而产生回声。
　　阿弗肖迪团队构造了一个简单的模型，用镜面代替传统的黑洞事件视界，并在其上应用LIGO迄今捕获到的3次黑洞合并的属性。结果表明，如果黑洞事件视界存在任何结构，那么黑洞合并的引力波信号也会伴随着周期性并逐步衰减的回声，重复的回声之间精确的时间间隔约为0.1秒、0.2秒、0.3秒。有趣的是，当他们研究LIGO数据时发现，所有三次合并释放出的引力波之后都伴随有连续的回声，时间间隔正是预测的间隔。
　　更多数据将证实或证伪
　　阿弗肖迪说，如果把所有黑洞合并事件都考虑进去，置信度为99.6%(2.9西格玛)，但这并没有达到宣称一个发现所需要的5西格玛，为了确保这些回声并非噪音，科学家们必须在未来发现的黑洞合并中找到这样的回声。
　　据麻省理工学院(MIT)官网近日消息，在过去一年中，科学家改进、强化了LIGO系统的激光器、电子设备以及光学设备等性能，使LIGO的灵敏度提高了10%到25%。科学家希望，升级后的LIGO能探测到宇宙深处发出的更多、更频繁的引力波信号及引发引力波信号的宇宙极端现象。阿弗肖迪说：“升级后的LIGO提供的更精确数据将有助于我们在未来两年内证实或证伪这一发现。”
　　LIGO团队成员、德国马克斯普朗克引力物理学研究所的物理学家亚历桑德拉·波南诺说，LIGO科学家正在对回声信号进行分析。而且他认为，阿弗肖迪使用的镜面模型太过粗糙，因此很难确定究竟是“火墙”“毛球”还是其他什么结构制造出了这种回声。他说，更复杂的模型或许可以通过预测回声的振幅及消亡速度，来确定制造回声的“幕后推手”。
　　尽管该团队的论文提供了背离广义相对论的线索，但加州大学圣巴巴拉分校的黑洞研究员斯蒂芬·基丁斯说，迄今为止，这些仅仅只是线索。“未来，LIGO和其他探测器提供的数据，或能让我们对这一新的物理学领域进行研究。”

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