愛因斯坦萬有引力構想的黑洞是一種邊界光滑的、吞噬一切的神秘天體。然而近期一份研究通過對兩個中子星相撞的引力波數據分析,稱探測到了引力波回音,形容撞擊產生的黑洞「就像一個鳴鐘一樣放出引力波回音」。

由此推測,這個對撞衍生的黑洞邊緣是不光滑的,而且是某種更加神秘的量子結構。

探測到引力波回音?說明邊界不光滑

愛因斯坦萬有引力認為黑洞是一個無限壓縮的奇點,周圍是一圈被稱為「事件視界」的區域,光線、能量和所有的物質進入這個邊界便無法逃逸,並認為這個神秘的事件視界是一種「光滑」的結構。在這份研究之前所有的數據都支持這個模型。

上世紀70年代,物理學家霍金(Stephen Hawking)在幾篇論文中都提到,他認為黑洞視界不應該是光滑的,而是有些毛糙的,存在某些「量子力學」相關的現象,導致某些物質——被稱為「霍金輻射」的物質是可以逃逸的。

自那之後,一些科學家隨之構想了幾個稍微不一樣的黑洞模型,將事件視界描述為一種脆弱一些、毛糙一些的外膜結構。

近期一些物理學家最新理論認為,新生成的黑洞周圍的邊界特別的毛糙——以至於足夠反射引力波,因此,如果這個理論成立,黑洞在其生成階段的引力波數據中應該存在引力波的回聲信號。

近期這份發表在《宇宙學和天體物理學》(Cosmology and Astroparticle Physics)上的研究,通過梳理2017年科學家探測到的兩顆中子星對撞產生的引力波數據,研究者稱他們發現了引力波的回聲信號——這正是其事件視界不光滑的證據,打破了愛因斯坦萬有引力定律假設的較為簡單的黑洞模型。

這份研究的作者形容這兩個中子星對撞形成的黑洞在開始的時候,「就像一個在回音的鳴鐘」一樣。

甚麼神奇的結構才能 緊挨黑洞邊界而存在?

研究者之一加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)的阿夫索迪(Niayesh Afshordi)說,如果這些信號的確是回音,它們一定是來自黑洞周圍毛糙的量子物質。

阿夫索迪向Live Science解釋說:「按照愛因斯坦相對論,儘管圍繞黑洞旋轉的物質是存在的,但是它們離黑洞有較大的距離,任何較近的物質都會被黑洞吸收。」

因此,黑洞附近不應該有任何能夠反射引力波的物質。有些黑洞周圍自帶一圈圍繞黑洞旋轉的盤狀物,但是它們與黑洞的事件視界之間有一圈完全空白的地帶。

「然而從我們觀察到的回音延遲來看,只能用緊挨黑洞事件視界的外圍存在某種量子結構才能解釋得通。」阿夫索迪說。

同行的看法

沒有參與這份研究的天體物理學家美國維拉諾瓦大學(Villanova University)的尼爾森(Joey Neilsen)說,這份研究在不止一個引力波探測儀上都發現了引力波回聲,這樣的結果令人震驚;但同時他認為,這份研究的數據不夠完整,他還不敢說百分百信服。

MIT的天體物理學家伊西(Maximiliano Isi)對這項研究表示懷疑。他對Live Science說,好幾份對相同數據進行的其它研究,都沒能得出這樣的結果。

阿夫索迪說,他們這份研究敏感度比之前的研究高很多,可以探測到很微弱的回音波,並表示他們的數據出錯的幾率是十萬分之二。

尼爾森還說,如果的確存在引力波的回音,接下來的問題更有趣:中子星合併後是直接變成黑洞,還是先產生一個維持時間很短暫的某種過渡天體?◇