用引力波寻找未知天体

众所周知，宇宙中存在具有质量但几乎不发光的暗物质，例如我们所属的银河系，也许至少有发光恒星5倍的暗物质。这些暗物质我们看不到，是怎么知道的呢?

　　首先，我们的银河系是漩涡星系之一，形状是半径约5万光年、厚约6000光年的圆盘，主要成分是约1000亿个恒星，星际氢气体占全体的5％左右。我们的银河系还引领若干随从的星系，典型的例子是距我们16万光年处的大麦哲伦星云，它由大约100亿个恒星构成，即质量是我们银河系1／10的小星系。包括大麦哲伦云等在内距我们银河系约20万光年左右的周边部分被称之为银晕。

　　我们银河系的质量是如何推定的呢?实际上不可能观测所有的星。远处的星变暗难以观测，圆盘内由于星际气体中大量的尘埃加剧光的吸收，使观测困难。因此使用氢气释放的21厘米波长的电磁波，利用该电磁波的多普勒效应，能够确定银河圆盘内的旋转速度。在太阳附近，这个旋转速度是每秒约220千米。从旋转速度与太阳和银河中心间的距离(约3万光年)知道太阳绕银河系转一圈的周期约2.5亿年。如果那样的话，像从地球的轨道周期与太阳地球间的距离用开普勒定律算出太阳质量那样，能够推定我们银河的质量，约是太阳质量的1000亿倍左右。

　　那么，银晕的质量又如何呢?因为银晕暗，最初考虑银晕的质量比起我们银河系来非常小。如果那样的话，按照开普勒定律，在遥远处银晕的星或气体的旋转速度应与距离的平方根成反比。按自上个世纪80年代的观测结果显示，所有星系中星云的运动速度几乎都不随半径而改变。根据牛顿的万有引力定律，这表明在星系周围的空间中存在着看不见的“晕”，即暗物质。

　　暗物质是什么?这是现代宇宙物理学中最重要的问题。因为暗物质占宇宙质量大半，宇宙的主宰不是太阳那样的恒星而是暗物质。如果不知道宇宙的主人是谁，当然无法知道银河是怎样构成的。为此我们就暗物质提出了各种候选者，例如具有质量的中子、未知的基本粒子、未知的原子核、黑洞等。为了确定暗物质，科学家正在进行许多实验上、观测上、理论上的研究，但是结果仍然是一无所知。

　　

　　微引力透镜

　　

　　1986年波兰天文学家帕金斯基提出了一种全新的暗物质检测方法，要点是使用所谓微引力透镜现象。按照广义相对论，通过太阳边缘的光由于太阳的引力稍微弯曲(角度是1.75秒)，事实上，这个现象不单是太阳，一般光通过具有质量的物体附近都产生，即光由于引力而弯曲。不仅如此，引力还具有聚光的作用，这意味着引力起到了与透镜同样的作用，我们把它称之为引力透镜，即引力透镜也能够聚焦来自远方光源的光使其变得发亮。

　　按照帕金斯基的想法，大麦哲伦云与我们之前的银晕有暗物质。此前很多科学家认为暗物质是某些未能特定的基本粒子之一，由于它们是非常重的暗物质，在此将它们命名为“超致密光晕体”，简称MACHO。MACHO在光晕中有引力，所以不可能静止，而是不停地运动，这个与行星在太阳中运动是一样的。

　　MACHO是暗物质，所以无法用光观测，但是有质量的MACHO周围有引力，所以具有引力透镜的机能。以大麦哲伦星云而言，假定我们观测的星之间恰好来了MACHO，通过引力透镜的聚光效应，大麦哲伦云的星应该急速变亮。

　　但是这样的事实有多大概率可能发生呢?首先作为引力透镜的MACHO大小构成非常小的角度，只有千分之一秒左右。由于是非常小的透镜，故称之为微引力透镜。对此，一年间观测大麦哲伦云的某一颗星恰巧引起引力透镜效应的概率，即使光晕中皆是MACHO，也只有百万分之二左右。另外，因为MACHO运动，引力透镜的持续时间以MACHO质量为太阳的质量而言，平均是3个月左右；如果比太阳质量小的话，则引力透镜的持续时间更短。

　　帕金斯基的论文发表时，很多学者表示赞同，但所谓的MACHO并不存在。尽管如此，上个世纪末美国、澳大利亚两国的研究人员组成了名叫“MACHO合作研究”的观测小组。经过对半个光晕约1000万个星持续两年的观测，结果发现了4个新的MACHO。那么MACHO的原形究竟是什么呢?

　　

　　MACHO原形是什么?

　　

　　首先，考虑是质量小的暗星。但是这样的星从光晕中运动到太阳的附近理应是秒速为200千米左右的高速度星才被发现。观测结果获知能够解释是MACHO，但是理论上有诸多困难。即使不理会理论上的这些困难，如果存在那样的白矮星，则仍然是应存在许多高速度星才行，所以尚有待进一步观测确认。

　　再者，如果是中子星又如何呢?如果说MACHO的质量是0.5倍的太阳质量，因为数据少，仅从质量来看，有可能是上年纪的老中子星(1.4倍的太阳质量)。但这在理论上是不可能的。中子星是超新星爆发后的残骸形成的。假定中子星是由光晕的一半，即由我们银河质量的2倍构成，则在光晕中理应有超新星爆发被散布的大量重元素，但这与观测矛盾。

　　此外，我们知道具有太阳质量大小并不太发光的天体是黑洞。但是科学家现在还没有发现是太阳质量一半左右的黑洞。根据星演化的理论，现在可能构成的黑洞是太阳质量的10倍以上，那么太阳质量一半左右的黑洞到底是在哪儿生成的呢?理论上讲那只有在宇宙初期，时间为宇宙开始后的10万分之一秒的时候。这时在某些结构下制造大量的太阳质量一半左右的黑洞。

　　如果MACHO的原形是黑洞的话，可能以很大比例构成黑洞双星，与中子双星系统一样，黑洞双星一边发出引力波一边渐渐缩小轨道，最后闯入不稳定轨道进行碰撞、合并，发出大量的引力波。所以期待通过引力波的观测能够确认它的原形。迄今理论上说明的中子双星系统或黑洞双星的碰撞、合并以及超新星爆发，我们预料产生的引力波频率应是从几十赫到几千赫之间。如果是以这个频段的引力波为目标的检测装置，也能建造在地面上。

　　

　　用引力波观测初期宇宙

　　

　　作为引力波的波动性质与电磁波极为相似，但是有决定性的差异，那就是穿透物质的穿透力比电磁波力更强。所谓穿透力强也意谓与物质的作用小。这个起因于引力本来持有的相互作用小。例如比较构成氢原子的质子与电子相互作用的引力与电力，引力比电力约弱40位数。另外，利用光或电波与物质的相互作用能够折射或反射，能够变换成其他的能量检测。但是引力波几乎与物质不起作用，穿透物质内部不被吸收或散射。这个特征也成为检测引力波的困难原因。但是反过来借助穿透力强，能够获得其他观测手段不能得到的信息。

　　引力波与中微子的差异不单是穿透力，发生机制也有很大不同。引力波伴随超新星中心发生的大规模物质抛射而产生，为此成为了解超新星爆发的关键，有可能通过引力波直接获得爆发瞬间的信息。

　　观测由中子双星发生的引力波的另一个重大价值是直接确定到天体的距离。从引力波的频率或频率的时间变化知道引力波的发生量，因为引力波的能量按距离的平方成反比减少，所以比较引力波的发生量与实际被检测的引力波大小就能求出距离。到远方的天体的距离是对确定宇宙年龄有直接影响的重要信息。通过引力波观测，有可能在确定距离上获得更高精度。

　　用电磁波的观测只能看到大爆炸发生约30万年后的宇宙面貌。即使用中微子观测，也只能看到大爆炸过后1秒的宇宙面貌。对此，由于引力波具有穿透力强的性质，有可能观测紧挨着大爆炸后宇宙发生的引力波。按暴胀的宇宙理论，我们的宇宙就是从这个11维的微小超空间中突然暴胀来的，这时温度下降，预测引起改变空间性质的相移。而且相移不是在整个空间均匀地发生，部分的或是留下或是先转移，在一个相的空间中构成不同的相，这时构成像泡沫那样的“泡”和弦状的“宇宙弦”。我们通过观测泡或宇宙弦振动产生的引力波，或许能了解宇宙的诞生。

　　

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