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黑洞与虫洞的碰撞也会产生丰富的引力波

2020-09-29 14:13:32来源：科技日报

通过引力波信号，天文学家已经观测到超过20次的黑洞、中子星等致密天体的碰撞或并合事件。

然而，最近的一项研究发现，黑洞与虫洞的碰撞也会产生丰富的引力波。

8月27日，据国外媒体报道，一个国际研究团队在假设虫洞存在的前提下，模拟分析了5倍太阳质量黑洞穿过200倍太阳质量的虫洞。结果表明，黑洞可稳定穿越虫洞，在黑洞进入和离开虫洞的过程中，会出现迄今从未探测到过的特殊引力波信号。

黑洞为何会“落入”虫洞内?所发出的一种特殊的引力波是什么样的?人们可以按图索骥搜寻虫洞进而开展时空旅行吗?

“反啾啾声”：黑洞穿过虫洞的引力波特征

虫洞和黑洞都是爱因斯坦广义相对论预言的特殊时空结构。天文学家普遍认为，黑洞是恒星坍缩的产物。黑洞的存在已经被观测所证实，甚至在2019年出现了第一张黑洞照片。而虫洞依然属于理论假定，还没有被天文观测所证实。如果能证明虫洞真的存在，天文学研究将获得巨大突破。

在此次研究中，研究人员通过数值模拟的方法，发现黑洞落入虫洞会产生一种特殊的引力波信号——“反啾啾声”，这与双黑洞碰撞所产生的“啾啾声”引力波信号是不同的。研究者据此推测，未来人们可以根据这种特殊的引力波信号来搜寻宇宙中可能存在的虫洞。

“双黑洞碰撞的引力波特征是‘啾啾声’。”中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所所长蔡荣根解释道，当两个黑洞越来越近的时候，引力波的振幅会越来越大，频率会越来越高，发出的声音被形象地称作“啾啾声”。

那么“反啾啾声”又是什么呢?理解这种特殊的信号，首先需要了解黑洞落入虫洞会发生什么。

在此次研究中，研究人员模拟了一个5倍太阳质量黑洞“落入”一个稳定、不旋转、可穿越的200倍太阳质量虫洞，这个过程被蔡荣根形容为“像一颗球掉进一根水管”。

他对科技日报记者表示，黑洞落入虫洞后可能存在3种结局：一是黑洞速度非常快，瞬间穿过虫洞到达另外一个宇宙;第二种可能是，黑洞掉进虫洞之后，由于初速度动能不够大而停留在虫洞喉部，像水在水管底部滞留下来一样;第三种可能是，黑洞落入虫洞后，由于引力的相互作用，又被拉回到原来的宇宙。

“论文作者所说的‘反啾啾声’属于第三种情况。”蔡荣根说，这正如水进入水管后频率越来越高，这时发出的引力波特征是“啾啾声”;接着，水又从水管底部回到原来的地方，此时它发出的引力波频率越变越小，这就是“反啾啾声”。

回音现象：或是源于虫洞并合

近年来，黑洞的神秘面纱被逐渐揭开。但同样是爱因斯坦广义相对论预言的时空结构，虫洞却为何这样难寻?此次研究结果对搜寻虫洞有怎样的帮助?

蔡荣根告诉科技日报记者，虫洞是连接两个不同宇宙(或者同一宇宙中两个不同区域)的管道或捷径，物体通过虫洞可以进行时空穿越。虫洞可以小到量子尺度，也可以大到宇宙尺度。“理论上不排除虫洞构型的确存在，但我们仍需要注意两点，一是实际上人类还从未观察到虫洞;二是理论上，虫洞存在的可能性非常小。”他表示。

他进一步解释道，在广义相对论中，所谓的虫洞构型是可以存在的。但是构造虫洞需要一种非常特殊的物质，即所谓的“负能量”，日常生活中看到的物质比如空气、岩土等是无法构造虫洞的。

尽管困难重重，科学家对虫洞的探索一直在继续。自2015年双黑洞碰撞产生的引力波信号被观测证实后，虫洞的科学探索也逐渐火热起来。对于虫洞的探索，科学家同样选择从引力波“下手”。

“黑洞落入虫洞必然会产生引力波。”国内虫洞研究者、扬州大学物理科学与技术学院戴德昌博士解释道，引力波是空间结构的扰动，黑洞和虫洞是两种特殊的空间结构，研究空间结构绕不开引力波。

2015年发现黑洞并合产生的引力波后，科学家便提出可以利用引力波来研究中子星、黑洞、白矮星等致密天体的结构。2016年，有学者提出虫洞的空间结构不同于其他致密天体，应该会形成不一样的引力波信号。2017年人们发现黑洞并合发出的引力波信号里有回音现象，即“反啾啾声”。

“这就是本次研究的意义所在。因为回音现象表示并合的天体也可能是虫洞而非黑洞。因此如何验证这一发现变得至为重要。”戴德昌进一步解释道，研究黑洞和虫洞并合现象，就是要找出分辨一个天体是黑洞还是虫洞的方法。虫洞类似两个黑洞的空间剪开后再粘贴起来的隧道结构。这就意味着，黑洞和虫洞有一半的时空间结构是相同的，很难区分开来。

戴德昌认为，目前模拟虫洞和黑洞并合的目的就是建立其引力波信号模板，用于对比引力波探测器所观测到的引力波信号。如果模板和引力波信号吻合，就是虫洞存在的最佳证明。

匹配滤波方法：或许能用于搜寻虫洞

蔡荣根进一步表示，如果捕捉到研究人员所说的引力波信号，就能证明存在虫洞。

科学家从黑洞并合事件中探测到了人类历史上首个引力波信号，既然引力波信号是寻找虫洞的“线索”，那么科学家又是如何探测这些引力波信号的?

蔡荣根介绍，同此次研究一样，黑洞的引力波信号也是从计算机模拟两个黑洞碰撞开始，结果证实两个黑洞碰撞会产生一类引力波信号，然后从大量观测数据中寻找这样的信号。如果成功找到这类信号，则可以证明黑洞的存在。这种寻找天体的方式，被称为“匹配滤波方法”。

引力波的“语言”很丰富，黑洞、中子星、白矮星等致密天体的相互碰撞，会产生不一样的引力波信号。这时“匹配滤波方法”就要大展身手了。蔡荣根以原子弹和氢弹的区分作为类比，他说：“原子弹和氢弹的爆炸强度都很大，但是二者当量不同，通过测量当量，便可以反推是原子弹还是氢弹。同样，通过引力波信号特征也可以反推出致密天体的类型。”

“这个实验对于我们寻找虫洞是有意义的。”蔡荣根说，尽管该研究使用了一个非常简单的数学模型，对黑洞落入虫洞的全程进行模拟，跟真实情况还是有些距离，但是能够抓住主要的物理特征，提供了一种新的、可能的虫洞与黑洞相互作用的引力波信号，对未来寻找虫洞以及相关研究具有启示意义。

“事实上，黑洞落入虫洞还可能会破坏虫洞。”戴德昌举例说道，如果虫洞不稳定，黑洞的落入会让虫洞突然断裂或被摧毁。如果虫洞和黑洞的质量非常接近，那么虫洞可能会绕着黑洞运行，或者相反。如果黑洞质量显著大于虫洞，那么黑洞可能一口将虫洞吞噬。

黑洞与虫洞的碰撞充满着不确定性，究竟现实如何，还需要未来坚持不懈地研究，去揭示黑洞与虫洞的真正特性。

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