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

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

8月27日，據(jù)國外媒體報道，一個國際研究團隊在假設(shè)蟲洞存在的前提下，模擬分析了5倍太陽質(zhì)量黑洞穿過200倍太陽質(zhì)量的蟲洞。結(jié)果表明，黑洞可穩(wěn)定穿越蟲洞，在黑洞進入和離開蟲洞的過程中，會出現(xiàn)迄今從未探測到過的特殊引力波信號。

黑洞為何會“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而開展時空旅行嗎?

“反啾啾聲”： 黑洞穿過蟲洞的引力波特征

蟲洞和黑洞都是愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的特殊時空結(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)被觀測所證實，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，還沒有被天文觀測所證實。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，研究人員通過數(shù)值模擬的方法，發(fā)現(xiàn)黑洞落入蟲洞會產(chǎn)生一種特殊的引力波信號——“反啾啾聲”，這與雙黑洞碰撞所產(chǎn)生的“啾啾聲”引力波信號是不同的。研究者據(jù)此推測，未來人們可以根據(jù)這種特殊的引力波信號來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’。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院理論物理研究所所長蔡榮根解釋道，當(dāng)兩個黑洞越來越近的時候，引力波的振幅會越來越大，頻率會越來越高，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，首先需要了解黑洞落入蟲洞會發(fā)生什么。

在此次研究中，研究人員模擬了一個5倍太陽質(zhì)量黑洞“落入”一個穩(wěn)定、不旋轉(zhuǎn)、可穿越的200倍太陽質(zhì)量蟲洞，這個過程被蔡榮根形容為“像一顆球掉進一根水管”。

他對科技日報記者表示，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，瞬間穿過蟲洞到達另外一個宇宙;第二種可能是，黑洞掉進蟲洞之后，由于初速度動能不夠大而停留在蟲洞喉部，像水在水管底部滯留下來一樣;第三種可能是，黑洞落入蟲洞后，由于引力的相互作用，又被拉回到原來的宇宙。

“論文作者所說的‘反啾啾聲’屬于第三種情況。”蔡榮根說，這正如水進入水管后頻率越來越高，這時發(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的地方，此時它發(fā)出的引力波頻率越變越小，這就是“反啾啾聲”。

回音現(xiàn)象： 或是源于蟲洞并合

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

蔡榮根告訴科技日報記者，蟲洞是連接兩個不同宇宙(或者同一宇宙中兩個不同區(qū)域)的管道或捷徑，物體通過蟲洞可以進行時空穿越。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，一是實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。

他進一步解釋道，在廣義相對論中，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、巖土等是無法構(gòu)造蟲洞的。

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

“黑洞落入蟲洞必然會產(chǎn)生引力波。”國內(nèi)蟲洞研究者、揚州大學(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，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)該會形成不一樣的引力波信號。2017年人們發(fā)現(xiàn)黑洞并合發(fā)出的引力波信號里有回音現(xiàn)象，即“反啾啾聲”。

“這就是本次研究的意義所在。因為回音現(xiàn)象表示并合的天體也可能是蟲洞而非黑洞。因此如何驗證這一發(fā)現(xiàn)變得至為重要。”戴德昌進一步解釋道，研究黑洞和蟲洞并合現(xiàn)象，就是要找出分辨一個天體是黑洞還是蟲洞的方法。蟲洞類似兩個黑洞的空間剪開后再粘貼起來的隧道結(jié)構(gòu)。這就意味著，黑洞和蟲洞有一半的時空間結(jié)構(gòu)是相同的，很難區(qū)分開來。

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模板，用于對比引力波探測器所觀測到的引力波信號。如果模板和引力波信號吻合，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

蔡榮根進一步表示，如果捕捉到研究人員所說的引力波信號，就能證明存在蟲洞。

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

蔡榮根介紹，同此次研究一樣，黑洞的引力波信號也是從計算機模擬兩個黑洞碰撞開始，結(jié)果證實兩個黑洞碰撞會產(chǎn)生一類引力波信號，然后從大量觀測數(shù)據(jù)中尋找這樣的信號。如果成功找到這類信號，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“語言”很豐富，黑洞、中子星、白矮星等致密天體的相互碰撞，會產(chǎn)生不一樣的引力波信號。這時“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：“原子彈和氫彈的爆炸強度都很大，但是二者當(dāng)量不同，通過測量當(dāng)量，便可以反推是原子彈還是氫彈。同樣，通過引力波信號特征也可以反推出致密天體的類型。”

“這個實驗對于我們尋找蟲洞是有意義的。”蔡榮根說，盡管該研究使用了一個非常簡單的數(shù)學(xué)模型，對黑洞落入蟲洞的全程進行模擬，跟真實情況還是有些距離，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，對未來尋找蟲洞以及相關(guān)研究具有啟示意義。

“事實上，黑洞落入蟲洞還可能會破壞蟲洞。”戴德昌舉例說道，如果蟲洞不穩(wěn)定，黑洞的落入會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，那么蟲洞可能會繞著黑洞運行，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)實如何，還需要未來堅持不懈地研究，去揭示黑洞與蟲洞的真正特性。(記者 唐 芳)

關(guān)鍵詞： 黑洞與蟲洞