通過(guò)引力波信號(hào)，天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到超過(guò)20次的黑洞、中子星等致密天體的碰撞或并合事件。

然而，最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，黑洞與蟲洞的碰撞也會(huì)產(chǎn)生豐富的引力波。

8月27日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在假設(shè)蟲洞存在的前提下，模擬分析了5倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞穿過(guò)200倍太陽(yáng)質(zhì)量的蟲洞。結(jié)果表明，黑洞可穩(wěn)定穿越蟲洞，在黑洞進(jìn)入和離開(kāi)蟲洞的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)迄今從未探測(cè)到過(guò)的特殊引力波信號(hào)。

黑洞為何會(huì)“落入”蟲洞內(nèi)?所發(fā)出的一種特殊的引力波是什么樣的?人們可以按圖索驥搜尋蟲洞進(jìn)而開(kāi)展時(shí)空旅行嗎?

“反啾啾聲”： 黑洞穿過(guò)蟲洞的引力波特征

蟲洞和黑洞都是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的特殊時(shí)空結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家普遍認(rèn)為，黑洞是恒星坍縮的產(chǎn)物。黑洞的存在已經(jīng)被觀測(cè)所證實(shí)，甚至在2019年出現(xiàn)了第一張黑洞照片。而蟲洞依然屬于理論假定，還沒(méi)有被天文觀測(cè)所證實(shí)。如果能證明蟲洞真的存在，天文學(xué)研究將獲得巨大突破。

在此次研究中，研究人員通過(guò)數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)黑洞落入蟲洞會(huì)產(chǎn)生一種特殊的引力波信號(hào)——“反啾啾聲”，這與雙黑洞碰撞所產(chǎn)生的“啾啾聲”引力波信號(hào)是不同的。研究者據(jù)此推測(cè)，未來(lái)人們可以根據(jù)這種特殊的引力波信號(hào)來(lái)搜尋宇宙中可能存在的蟲洞。

“雙黑洞碰撞的引力波特征是‘啾啾聲’。”中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所所長(zhǎng)蔡榮根解釋道，當(dāng)兩個(gè)黑洞越來(lái)越近的時(shí)候，引力波的振幅會(huì)越來(lái)越大，頻率會(huì)越來(lái)越高，發(fā)出的聲音被形象地稱作“啾啾聲”。

那么“反啾啾聲”又是什么呢?理解這種特殊的信號(hào)，首先需要了解黑洞落入蟲洞會(huì)發(fā)生什么。

在此次研究中，研究人員模擬了一個(gè)5倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞“落入”一個(gè)穩(wěn)定、不旋轉(zhuǎn)、可穿越的200倍太陽(yáng)質(zhì)量蟲洞，這個(gè)過(guò)程被蔡榮根形容為“像一顆球掉進(jìn)一根水管”。

他對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示，黑洞落入蟲洞后可能存在3種結(jié)局：一是黑洞速度非常快，瞬間穿過(guò)蟲洞到達(dá)另外一個(gè)宇宙;第二種可能是，黑洞掉進(jìn)蟲洞之后，由于初速度動(dòng)能不夠大而停留在蟲洞喉部，像水在水管底部滯留下來(lái)一樣;第三種可能是，黑洞落入蟲洞后，由于引力的相互作用，又被拉回到原來(lái)的宇宙。

“論文作者所說(shuō)的‘反啾啾聲’屬于第三種情況。”蔡榮根說(shuō)，這正如水進(jìn)入水管后頻率越來(lái)越高，這時(shí)發(fā)出的引力波特征是“啾啾聲”;接著，水又從水管底部回到原來(lái)的地方，此時(shí)它發(fā)出的引力波頻率越變?cè)叫。@就是“反啾啾聲”。

回音現(xiàn)象： 或是源于蟲洞并合

近年來(lái)，黑洞的神秘面紗被逐漸揭開(kāi)。但同樣是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的時(shí)空結(jié)構(gòu)，蟲洞卻為何這樣難尋?此次研究結(jié)果對(duì)搜尋蟲洞有怎樣的幫助?

蔡榮根告訴科技日?qǐng)?bào)記者，蟲洞是連接兩個(gè)不同宇宙(或者同一宇宙中兩個(gè)不同區(qū)域)的管道或捷徑，物體通過(guò)蟲洞可以進(jìn)行時(shí)空穿越。蟲洞可以小到量子尺度，也可以大到宇宙尺度。“理論上不排除蟲洞構(gòu)型的確存在，但我們?nèi)孕枰⒁鈨牲c(diǎn)，一是實(shí)際上人類還從未觀察到蟲洞;二是理論上，蟲洞存在的可能性非常小。”他表示。

他進(jìn)一步解釋道，在廣義相對(duì)論中，所謂的蟲洞構(gòu)型是可以存在的。但是構(gòu)造蟲洞需要一種非常特殊的物質(zhì)，即所謂的“負(fù)能量”，日常生活中看到的物質(zhì)比如空氣、巖土等是無(wú)法構(gòu)造蟲洞的。

盡管困難重重，科學(xué)家對(duì)蟲洞的探索一直在繼續(xù)。自2015年雙黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波信號(hào)被觀測(cè)證實(shí)后，蟲洞的科學(xué)探索也逐漸火熱起來(lái)。對(duì)于蟲洞的探索，科學(xué)家同樣選擇從引力波“下手”。

“黑洞落入蟲洞必然會(huì)產(chǎn)生引力波。”國(guó)內(nèi)蟲洞研究者、揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院戴德昌博士解釋道，引力波是空間結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，黑洞和蟲洞是兩種特殊的空間結(jié)構(gòu)，研究空間結(jié)構(gòu)繞不開(kāi)引力波。

2015年發(fā)現(xiàn)黑洞并合產(chǎn)生的引力波后，科學(xué)家便提出可以利用引力波來(lái)研究中子星、黑洞、白矮星等致密天體的結(jié)構(gòu)。2016年，有學(xué)者提出蟲洞的空間結(jié)構(gòu)不同于其他致密天體，應(yīng)該會(huì)形成不一樣的引力波信號(hào)。2017年人們發(fā)現(xiàn)黑洞并合發(fā)出的引力波信號(hào)里有回音現(xiàn)象，即“反啾啾聲”。

“這就是本次研究的意義所在。因?yàn)榛匾衄F(xiàn)象表示并合的天體也可能是蟲洞而非黑洞。因此如何驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)變得至為重要。”戴德昌進(jìn)一步解釋道，研究黑洞和蟲洞并合現(xiàn)象，就是要找出分辨一個(gè)天體是黑洞還是蟲洞的方法。蟲洞類似兩個(gè)黑洞的空間剪開(kāi)后再粘貼起來(lái)的隧道結(jié)構(gòu)。這就意味著，黑洞和蟲洞有一半的時(shí)空間結(jié)構(gòu)是相同的，很難區(qū)分開(kāi)來(lái)。

戴德昌認(rèn)為，目前模擬蟲洞和黑洞并合的目的就是建立其引力波信號(hào)模板，用于對(duì)比引力波探測(cè)器所觀測(cè)到的引力波信號(hào)。如果模板和引力波信號(hào)吻合，就是蟲洞存在的最佳證明。

匹配濾波方法： 或許能用于搜尋蟲洞

蔡榮根進(jìn)一步表示，如果捕捉到研究人員所說(shuō)的引力波信號(hào)，就能證明存在蟲洞。

科學(xué)家從黑洞并合事件中探測(cè)到了人類歷史上首個(gè)引力波信號(hào)，既然引力波信號(hào)是尋找蟲洞的“線索”，那么科學(xué)家又是如何探測(cè)這些引力波信號(hào)的?

蔡榮根介紹，同此次研究一樣，黑洞的引力波信號(hào)也是從計(jì)算機(jī)模擬兩個(gè)黑洞碰撞開(kāi)始，結(jié)果證實(shí)兩個(gè)黑洞碰撞會(huì)產(chǎn)生一類引力波信號(hào)，然后從大量觀測(cè)數(shù)據(jù)中尋找這樣的信號(hào)。如果成功找到這類信號(hào)，則可以證明黑洞的存在。這種尋找天體的方式，被稱為“匹配濾波方法”。

引力波的“語(yǔ)言”很豐富，黑洞、中子星、白矮星等致密天體的相互碰撞，會(huì)產(chǎn)生不一樣的引力波信號(hào)。這時(shí)“匹配濾波方法”就要大展身手了。蔡榮根以原子彈和氫彈的區(qū)分作為類比，他說(shuō)：“原子彈和氫彈的爆炸強(qiáng)度都很大，但是二者當(dāng)量不同，通過(guò)測(cè)量當(dāng)量，便可以反推是原子彈還是氫彈。同樣，通過(guò)引力波信號(hào)特征也可以反推出致密天體的類型。”

“這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于我們尋找蟲洞是有意義的。”蔡榮根說(shuō)，盡管該研究使用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，對(duì)黑洞落入蟲洞的全程進(jìn)行模擬，跟真實(shí)情況還是有些距離，但是能夠抓住主要的物理特征，提供了一種新的、可能的蟲洞與黑洞相互作用的引力波信號(hào)，對(duì)未來(lái)尋找蟲洞以及相關(guān)研究具有啟示意義。

“事實(shí)上，黑洞落入蟲洞還可能會(huì)破壞蟲洞。”戴德昌舉例說(shuō)道，如果蟲洞不穩(wěn)定，黑洞的落入會(huì)讓蟲洞突然斷裂或被摧毀。如果蟲洞和黑洞的質(zhì)量非常接近，那么蟲洞可能會(huì)繞著黑洞運(yùn)行，或者相反。如果黑洞質(zhì)量顯著大于蟲洞，那么黑洞可能一口將蟲洞吞噬。

黑洞與蟲洞的碰撞充滿著不確定性，究竟現(xiàn)實(shí)如何，還需要未來(lái)堅(jiān)持不懈地研究，去揭示黑洞與蟲洞的真正特性。