回溯時間:引力波能讓我們窺見宇宙創生時刻嗎？

新浪科技訊 北京時間2月23日消息，愛因斯坦再一次被證明是正確的：正如他在100年前所言，引力場發生的變化的確會像波紋一般在時空之海中泛起漣漪並向外傳播。美國LIGO實驗成功探測到13億光年之外兩個質量分別為36個太陽質量和29個太陽質量的黑洞在合併過程中生的引力波信號。這兩個黑洞在合併之后，形成一個質量為62倍太陽質量的黑洞，那麼剩餘的3倍太陽質量哪裏去了？答案便是這強大的引力波。根據愛因斯坦最為著名的質能方程E=Mc2，這巨大的質量已經被轉化為了能量的形式。

這還只是開始。既然我們現在已經掌握了探測引力波的方法，那麼我們就將有能力對宇宙中一些我們此前沒有辦法觀測到的天體現象開展觀測和研究，比如發生在早期宇宙中的超大質量黑洞合併事件等等。但我們能夠向前回溯到多遠？宇宙最初創生的大爆炸事件生的原初引力波將是如何的？LIGO實驗的成功能否在這方面對我們有所幫助？

回溯時間

盡管從恆星尺度上來，此次引力波事件中牽涉的質量數值是非常巨大的，但相比超大質量黑洞，它們就顯得微不足道了。天文學家們相信，在几乎每一個大型星系的核心部位都存在類似的超大質量黑洞，其中也包括我們所在的銀河系。有證據顯示在銀河系的核心位置隱藏一個質量約為400萬倍太陽質量的超大質量黑洞，這一數據是通過圍繞其運行的大量恆星的軌道參數測算出來的。盡管聽上去這似乎已經是巨無霸類別的超級黑洞了，但實際上，相比隱藏於那些最為巨大的星系核心的真正的超級黑洞，銀河系中心的黑洞質量並非驚人，后者的質量往往可以達到數百億倍的太陽質量。

對於這樣的超大質量黑洞，天文學家們有很多問題想要搞清楚。目前我們對這類黑洞的觀測基本上都是間接進行的，主要手段就是對氣體物質在被黑洞吞噬之前生的劇烈輻射，包括可見光波段以及X射線等波段都會生強烈的信號。科學家們知道黑洞能夠通過對外部物質的吞噬實現自身的成長，但這一過程仍然充滿神秘感——星系中的大部分氣體運動速度都是非常快的，距離黑洞的位置往往也比較遙遠，黑洞要想獲得足夠的外部質量並非易事。那麼既然情況是這樣，那些如此巨大的超級黑洞究竟是從何而來的？

有一種可能性，那就是黑洞之間發生了合併，從而造就出一批質量驚人的超級黑洞。然而要想真正發生這樣的黑洞合併事件，那麼這兩個黑洞各自所在的星系也要發生碰撞與合併。在我們可觀測到的宇宙範圍內，這樣的事件發生的幾率相當低，這是因為星系之間往往相隔遙遠的距離。但這樣的情況在宇宙早期可能有所不同，當時的星系相互之間的距離相比今天要小得多。

因此，如果能夠探測到這類碰撞事件生的引力波信號，這就意味我們正在回溯時間，觀測那些最為遙遠的星系。來自那些星系所發出的光線是在宇宙剛剛誕生之后相對較早的時間出發的，此刻終於被我們觀測到。這些信息將給予科學家們直接的線索，能夠幫助他們判斷這類事件在超級黑洞生命周期的早期階段究竟起到了多麼重要的作用。而這類事件的發生與我們自身的生存同樣密切相關：黑洞成長過程中生的大量電磁輻射在很大程度上決定了其所在的星系環境，從而決定了這個星系中運行的恆星、行星，以及生活在其中一顆行星上的我們是否能夠擁有一個較為和平穩定的宇宙外部環境。

不過，進行這樣的觀測將需要建造比LIGO實驗大得多的探測設施，遠遠超過LIGO4公里長管道的尺度。計劃中的eLISA實驗將要發射3顆衛星並在太空組成一個三角形，其邊長將超過地月距離。

關於原初引力波的問題

但即便是超大質量黑洞之間的碰撞也並非我們的終極目標。導致宇宙創生的大爆炸，尤其是緊隨其后發生的宇宙急速膨脹時期，也就是所謂的“暴漲”時期，必定牽涉到大量物質以几乎光速的高速發生運動。這就意味在此過程中一定會生強烈的引力波。然而，其中最強烈的信號則應來自與整個宇宙相當的質量體。由於引力波輻射的典型波長要比釋放出這種引力波的物質體更長，因此這種輻射本身的“波長”將和整個宇宙的大小相當。因此，不管是LIGO還是任何未來其他的探測設備，因為它們無一例外地都位於宇宙之中，因此它們都將無法探測到這一層面的引力波信號。

因此，要想對這一層面的引力波進行探測，恐怕我們只能採取一些間接的方式，比如對其在宇宙微波背景輻射(CRB)中生的效應進行觀察，后者是宇宙大爆炸留下的余暉。

當光線沿某一特定方向發生震蕩，我們就光線發生了偏振。如果引力波在宇宙微波背景輻射出現時便已經存在，那麼它們就應該會在其中留下自己的蛛絲馬跡，某種特殊的光線偏振模式信號，也就是所謂的“B模”(B modes)。數年前，在南極望遠鏡工作的科學家們曾經宣佈在宇宙微波背景輻射信號中探測到B模信號，但最終研究人員意識到這實際上是宇宙塵埃生的干擾信號，后者是能夠對宇宙微波背景輻射信號生扭曲的干擾源之一，非常生動地展示了開展這樣的探測工作的難度之高。

但即便困難重重，開展這樣的研究工作將帶來驚人的高回報。如果探測能夠給出肯定的結果，那麼這將從根本上證實宇宙暴漲階段的存在，並解答諸多困擾宇宙學研究的問題，如為何宇宙中的物質分佈如此均勻。的確，想要找出這一宇宙創生時期的信號將是一項巨大的挑戰，但請不要忘記，就在半個世紀之前，當科學家們首次提出對引力波進行探測的實驗方案時，人們曾經同樣認為這是天方夜譚。(晨風)