从“时间机器”起点探寻原初引力波

引力波记载宇宙过去的信息，从宇宙大爆炸的开端“截取”原初引力波的信息，科学家使用了各种观测手段，从大质量天体的剧烈活动中探测多个波段的引力波，科学信仰不是奠定在“碰运气”的基础上。爱因斯坦的预言是对的，引力变化以引力波的形式在时空中传播。LIGO合作团队发现了引力波信号，两个黑洞在碰撞与合并过程中产生了引力波，它们的质量分别是太阳的36倍和29倍，加起来的质量是太阳的65倍，但合并的黑洞质量仅为太阳的62倍，有3个太阳质量的物质不知去哪儿了，似乎变成了“迷失的物质”，究竟发生了什么？消失的物质不是真的消失了，而是转化为引力波的爆发，爱因斯坦质能方程式表明了质量和能量的等价性，质能方程式的物理含义适用于引力波爆发的情形。

引力波的发现只是开始，如何测量引力波，科研人员使用LIGO一类的探测器寻找其它类型的引力波，比如：人们过去从未看到在早期宇宙中两个超大质量黑洞的对撞与合并。人类向宇宙过去的进发能够抵达多远？是否可以抵达宇宙的原初引力波？宇宙的诞生发出了原初引力波，LIGO合作团队是否可以找到宇宙的原初引力波？

LIGO合作团队发现的双黑洞合并事件涉及到大质量的天体，但与超大质量的黑洞相比，两个合并的中等质量黑洞显得相形见绌，天文学家普遍认为，几乎在每一个星系的中心都潜藏一个超大质量的黑洞，比如：在银河系中心“蜗居”了一个相当于太阳质量400万倍的超级黑洞，通过对周围恒星绕转速度的观测，天文学家间接发现了超大质量黑洞的存在。银河系中心的黑洞不是最大，比较一下最大星系中心的黑洞，银心黑洞的质量相对“弱小”，最大星系中心的巨无霸黑洞的质量达到了太阳质量的数十亿、数百亿倍。

天文学家了解了巨型黑洞的很多奥秘，通过对大量电磁辐射的观测发现它们的存在。当黑洞周围的气体跌入黑洞的视界时，通常发出了可见光和X—射线，黑洞通过吞噬周围的物质扩大自己的体量，这已不是天文学的秘密，但一个难题令天文学家感到困惑：黑洞如何变成了巨大的天体？星系内的大多数气体物体或者以极快的速度移动，或者距离黑洞很远。一些天文学家推断，在超大质量黑洞之间发生的碰撞帮助了黑洞的成长，当它们处在年轻阶段时尤为如此，那时还没有获得太多的气体。在两个星系发生碰撞与合并的情形中，星系中心的两个超大质量黑洞可能发生碰撞和合并，这类事件在我们附近的宇宙中十分罕见，宇宙星系相距遥远，而早期宇宙则有所不同，在宇宙大爆炸的开端，相对靠近的星系发生碰撞和合并的概率很大。

在宇宙早期黑洞的碰撞与合并中产生了引力波，对引力波的探测是“回头看”时间的过去，天文学家观测到了最遥远的星系，从遥远星系发出的光线距离宇宙大爆炸的时刻很近。从地球上接收的光线获得了直接线索，从中可以判断早期黑洞的碰撞与合并事件对它们的快速成长发挥了重要作用。人类自身的存在不是宇宙的孤独者，在成长黑洞的周围发出了电磁辐射，对星系的形成产生了主要影响。星系包含了恒星和行星，太阳系同样如此。对遥远事件产生引力波的观测应用了大型的实验仪器，LIGO探测器的手臂有4公里长，已经不够用了，eLISA的实验仪器将会投入启用，欧洲航天局计划将三颗卫星发射到太空轨道上，三颗卫星的“激光臂”构成一个等边三角形，每一个三角形的边长大于地球到月球的距离。

对超大质量黑洞的碰撞与合并事件的探测不是终极的目标，在大爆炸的早期时刻，宇宙发生了快速膨胀或“暴涨”，对宇宙暴涨的理解包含了物质以光速甚至超光速向外移动，巨大的物质以巨大的速度向外运动，这意味着产生了巨大引力波，最强大的引力信号从高速运动的物质种发出，物质分散的范围覆盖了几乎宇宙自身的尺度。引力辐射有特定的波长，比当初物质发射它们的波长相比拉长了，引力辐射的波长相当于整个宇宙的尺寸，LIGO或其它的实验仪器比宇宙尺寸小得多，它们不具备探测宇宙原初引力波的功能。

通过其它方式实现对宇宙原初引力波的探测，比如：可以观测原初引力波对宇宙背景辐射 (CMB) 产生的影响，CMB是宇宙大爆炸过程遗留的痕迹。当光波在特定方向上振动时，这是光线产生的偏振现象，当引力波呈现在宇宙背景辐射 (CMB) 诞生的时刻，可能留下独特的“搅动”样式或光线偏振的卷曲，天体物理学家称之为“B模”，几年之前，天文学家曾经观测到了“B模”信号，但后来证实这些信号是由宇宙中的尘埃引起的，尘埃只是很多影响因素中的一种。多种交互作用的影响因素可能扭曲CMB的偏振，探测到真正意义的“B模”信号将极为困难。

原初引力波发现的价值超乎想象，丝毫不低于LIGO合作团队发现引力波的价值，原初引力波的发现将作为证实宇宙大爆炸的主要证据之一，也为在科学界十分流行的早期宇宙暴涨理论提供最有力的依据，此外，一些未能很好解释的其它宇宙现象得到了解释，诸如：宇宙的物质分布为什么十分均衡，时空的各向同性如何产生。原初引力辐射可能是宇宙的一只“看不见的手”，对它的发现是一个巨大的科学挑战，好像对大质量天体在加速运动中产生的引力波进行直接探测是一种了不起的挑战。宇宙中存在未知的神秘现象，科学家的价值和使命在于揭示和解释宇宙中的未知事物。

（编译：2016-3-10）