新的研究暗示未经证实的爱因斯坦的“引力记忆”理论毕竟可能是真实的

By Andrey Feldman

 published 19 minutes ago

Black Holes

爱因斯坦的广义相对论提示古代事件的“记忆”诸如黑洞合并等可能会被引力波蚀刻进空时的织造。新的研究表明这个引力记忆理论最后可能如何被证明。

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当黑洞朝向碰撞螺旋时它们发射涟漪过宇宙的引力波。新的研究提示宇宙中最早的黑洞合并的证据可能被印在空时的织造上。 (Image credit: VICTOR de SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images)

一组理论物理学家已经提出了一种来测试爱因斯坦广义相对论中最有趣的预测之一引力记忆的新方法。

这种效应指由被称为引力波的空时涟漪的通过造成的宇宙的织造中一个永久转变。尽管这些波已经被激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座干涉仪等天文台探测到，但这些波的萦绕的印记仍然难以捉摸的。

研究人员提示宇宙微波背景辐射——从大爆炸留下的一个微弱辉光——可能携带着来自遥远黑洞合并的强大引力波的签名。研究这些信号不仅可以证实爱因斯坦的预测，但还揭示宇宙历史中一些最高能的事件。

瓦伦西亚大学博士生、该研究的合著者太涅斯（Miquel Miravet Tenés）通过电子邮件告诉《生活科学》杂志，“这一现象的观察能为我们提供更多关于不同物理领域的知识。因为它是一个爱因斯坦广义相对论的直接预测，它的观测会服务为一个该理论的证实，就像激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座干涉仪和神冈引力波探测器（KAGRA）已经做的一样！它也能被用作为一个额外工具来研究一些天体物理学场景，因为它能包含关于产生记忆的事件类型的信息如超新星或黑洞碰撞” 。

引力波如何在宇宙上留下一个印记

按照广义相对论，翘曲空时的大质量天体能产生以光速跨宇宙旅行的涟漪。当大质量天体加速时引力波发生，例如当两个黑洞向内螺旋并合并时。

与穿过物质并留下它不变的普通波不同，引力波能永久的改变空时本身的结构。这意味着它们穿过任何物体包括被称为光子的基本光粒子，可能体验速度或方向中的一个持久变化。因此，穿越宇宙旅行的光可以携带过去引力波事件印在它的属性中的记忆。

研究人员探索了是否这种效应可被在宇宙微波背景中观察到——宇宙微波背景是一种自宇宙只有它当前年龄的百分之一的一个分数以来一直在太空中旅行的遗迹辐射场。这种辐射温度中的微妙变化可能把持关于来自古代黑洞合并引力波线索。

哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的博士生、该研究的另一位合著者亨德里克（Kai Hendriks）在一封电子邮件中告诉《生活科学》，“我们能学到很多东西，例如引力波信号中测量引力记忆给我们更多关于产生了这种信号的两个黑洞的属性的信息；这些黑洞有多重或者它们离我们有多远” 。

但涵义延伸不止单个黑洞合并。如果引力记忆的印记能被在宇宙微波背景中检测到，它可以揭示在早期宇宙中超大质量黑洞是否比它们现在做的更频繁合并。这可能提供星系和黑洞如何已经在宇宙时间上进化的新洞察。

引力波从两个合并的黑洞荡漾离开的描画 。(Image credit: NASA Goddard)

测量印记

为确定是否记忆效应可以被检测到，研究小组计算了黑洞合并多影响宇宙微波背景。他们的分析表明了这些暴力事件应该在背景辐射中留下可测量的变化，信号的强度依靠黑洞多大质量以及整个历史上这种合并多频繁发生。

尼尔斯玻尔研究所的博士生、该研究的另一位合著者大卫·奥尼尔在一封电子邮件中告诉《生活科学》杂志，“光的波长被直接相关它的温度——小波长意味着高温，大波长意味着低温。一些光被引力波记忆影响变得‘更热’，而另一些光变得‘更冷’。冷热光区域在天空中形成一种模式。我们预测这种模式存在于宇宙微波背景中，尽管相当微弱” 。

尽管目前能够探测微波辐射的望远镜如普朗克卫星已经精确映射了宇宙微波背景细节，但被引力波记忆造成的温度变化被预计极端的小，大约为万亿分之一度的数量级。这使得它们很难用现有技术观察到。然而，未来有更高灵敏度的望远镜可能能够探测到这些微妙的扭曲，为探测已经形成了宇宙的看不见引力影响提供一种新方法。

为未来测试改进模型

虽然这项研究表明引力波记忆应该在宇宙微波背景中留下一个痕迹，但研究人员承认他们的计算是基于简化的假设。在明确预测能被做出之前需要更精细的模型。.

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例如，该团队最初假设所有合并的黑洞有相同的质量，而真实中它们的质量能重大的变化。超大质量黑洞的质量从太阳的几百万倍到数百亿倍不等，这意味着它们对宇宙微波背景的影响也会将不同。在未来的研究中解释这种变化将是非常重要的。.

亨德里克说，“就在现在我们正在研究的效应是难以置信的微妙。然而，在天空的某些区域它是可能的，它出乎意料的强烈。为探索这个，我们需要更先进的模型考虑宇宙的整个演化。因此这不是一件容易的任务！但这可以带我们更近来检测这种宇宙印记并揭示宇宙演化的新洞察” 。

https://www.livescience.com/space/black-holes/unproven-einstein-theory-of-gravitational-memory-may-be-real-after-all-new-study-hints