通过观察时空中称为“引力波”的微小涟漪，这些涟漪从碰撞的黑洞中传播出去，科学家们可以揭示宇宙中隐藏的不对称性。
关于该主题的新研究背后的团队表明，测量黑洞合并产生的引力波是右旋还是左旋，可以告诉我们宇宙学原理——天文学的绝对支柱——是否成立。
宇宙学原理指出，当宇宙在大尺度上观察时，它应该在各个方向上都由相同的物质组成。换句话说，宇宙应该看起来是“各向同性和均匀的”。这意味着宇宙不应该表现出对时钟或逆时针旋转的东西的偏好。宇宙中应该有镜像对称性，这包括来自黑洞合并的引力波。
现在，一组科学家测量了黑洞合并向外涌动时的时空涟漪，这可能与子黑洞在这些事件中因“踢”而回缩的方向有关。
“爱因斯坦的引力方程决定了宇宙的大尺度行为，它允许每个相反的引力源都有一个左手 [和右] 引力源，”马德里卡洛斯三世大学的团队成员兼研究员阿德里安·德尔·里奥 （Adrian del Rio） 在一份声明中说。“然而，这些方程并不要求在我们的宇宙中存在具有相同比例的两种类型的源。我们的工作使我们能够测试引力或我们的宇宙是否具有产生不对称的'隐藏'机制。
进球和不断增长的黑洞
如果这一切听起来非常复杂，那么圣地亚哥德孔波斯特拉大学的团队负责人 Juan Calderón Bustillo 和他的同事们有一个易于理解的类比。“在足球比赛中，用脚的内侧或外侧踢球有两种主要方式，”布斯蒂略在声明中说。“第一个将导致球逆时针旋转;想想大卫·贝克汉姆 （David Beckham） 著名的任意球，而相反的会引发相反的旋转。想想莫德里奇或年轻的超级巨星拉明·亚马尔，他掌握了这个动作。
布斯蒂略补充说，然而，大多数射门、传中和传球都是用脚的内侧完成的，因为这使得控制球变得相当容易。换句话说，足球没有镜像对称性;游戏中有一个首选的逆时针方向。“这会导致两种类型的旋转之间不对称，使足球'镜子不对称'，”Bustillo 说。“如果我们关于宇宙和引力的标准假设成立，那么宇宙中黑洞合并发出的波不应该发生这种情况。”
此外，在合并中创建的子黑洞也有自旋，就像踢出的足球一样，就其运动方向而言，它可以是右手或左手。单独的研究表明，就像踢过的足球一样，引力波的方向与合并产生的子黑洞接收到的“踢”方向有关。
如果黑洞效仿传奇的曼联边锋大卫·贝克汉姆 （David Beckham） 并“像贝克汉姆一样弯曲”，那么我们的宇宙理论将受到重大影响。
引力波伸出援手
引力波的起源可以追溯到 1915 年，阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 的巨著引力理论。这个被称为广义相对论的理论颠覆了物理学的局面，它提出引力产生于质量较大的物体产生的时空曲率。
然而，爱因斯坦走得更远。他还建议，加速的物体会用“引力辐射”或引力波来设置时空“振铃”的结构。虽然像加速自行车这样的平凡事件太微不足道，不会产生引力波，但像超新星和合并黑洞这样的剧烈宇宙事件却可以。事实上，即使是创造宇宙的大爆炸也是如此。
爱因斯坦认为这种辐射太微弱了，在地球上永远无法检测到。然而，自 2015 年以来，激光干涉引力波天文台 （LIGO） 和室女座引力波天文台通过实际探测到由超大质量黑洞和中子星碰撞和合并等强大事件引起的时空涟漪，证明了这位伟大的物理学家是错误的。
考虑到引力波可以被称为引力辐射，您可能会想知道它们是否与光或更准确地说，电磁辐射有任何相似之处。波是两种辐射的核心，它们具有波长、波中两个峰值之间的距离和频率（在设定的单位时间内通过设定点的峰值数）等特性。因此，正如存在由不同波长和频率的电磁辐射组成的整个电磁波谱一样，也有引力波谱。
更重要的是，就像电磁波一样，引力波也可以具有极化。极化是指波在传播时的方向。引力波极化可以是右旋或左旋，这意味着引力波可以相对于其传播方向顺时针或逆时针旋转。
考虑到引力波可以被称为引力辐射，您可能会想知道它们是否与光或更准确地说，电磁辐射有任何相似之处。波是两种辐射的核心，它们具有波长、波中两个峰值之间的距离和频率（在设定的单位时间内通过设定点的峰值数）等特性。因此，正如存在由不同波长和频率的电磁辐射组成的整个电磁波谱一样，也有引力波谱。
更重要的是，就像电磁波一样，引力波也可以具有极化。极化是指波在传播时的方向。引力波极化可以是右旋或左旋，这意味着引力波可以相对于其传播方向顺时针或逆时针旋转。
显示两种类型的极化演示围绕传播方向旋转的图表（水平黑色箭头）。（图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））
当黑洞碰撞和合并时，它们会产生过量的具有一种极化的引力波，从而单独打破镜子的对称性。然而，当这些过度被集体考虑时，如果宇宙学原理是正确的，并且镜像对称性在整个宇宙中无处不在，那么这些过度应该相互抵消。应该有相等数量的左旋波和右旋波。然而，如果像足球一样，黑洞合并具有镜像不对称性，这可能表明宇宙学原理不成立，如果是这样的话，谁知道基于这个原理的其他理论是错误的呢？
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为了测试来自黑洞合并的引力波是否确实表现出打破镜像对称性的旋性，Bustillo 和同事测量了来自 47 次黑洞合并的引力波的极化。
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为了测试来自黑洞合并的引力波是否确实表现出打破镜像对称性的旋性，Bustillo 和同事测量了来自 47 次黑洞合并的引力波的极化。
LIGO 和 Virgo 收集的数据表明，引力波确实抵消了过度的惯用手，没有方向偏好。但是，宇宙学原理可能还不安全。当然，半场结束时比分是 1-0 领先，但裁判还没有吹响全场比赛的哨声。
“不过，统计数据非常有限，因此不确定性仍然很大，”来自瓦伦西亚大学的团队成员 Nicolas Sanchis-Gual 在声明中说。“这场宇宙足球比赛远未结束。”
该团队发现了一个黑洞合并，它单独打破了镜像的对称性。这一事件与被命名为 GW200129 的引力波信号有关。这并不是什么大惊喜，因为长期以来，这一直被认为是一次奇怪、不平衡和不平衡的合并。该团队认为，他们观察到的 82% 的黑洞合并必须显示左旋或右旋引力波，即使他们无法识别这些系统。
“GW200129打破镜像对称性是很自然的，因为众所周知，这个系统有一个进动 [摆动] 轨道平面，”宾夕法尼亚州立大学的团队成员、科学家库斯塔夫·钱德拉 （Koustav Chandra） 在声明中说。“然而，我们的结果表明，许多合并也打破了它，这表明这些也可能具有进动轨道平面。“这些意想不到的结果可能会产生深远的影响，因为岁差是黑洞分层形成的特征。”
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该团队的结果可能产生影响的物理学领域之一是广义相对论和量子物理学的统一。广义相对论是我们对大尺度引力和宇宙的最佳描述，而量子物理学是人类对亚原子宇宙的最佳描述。然而，尽管这两种理论都很强大，但它们并不统一。这主要是因为没有被证实的“量子引力理论”。这项研究可能在这方面有所帮助，还可以揭示为什么对宇宙膨胀速度的估计会有很大差异，这个问题被称为“哈勃张力”。“在之前的一项研究中，我们证明了镜像不对称合并可以通过类似于霍金辐射的过程从量子真空产生偏振光子的净发射，”del Rio 说。“我们的研究已经确定了第一个可以产生这种效果的可行来源——GW200129。”
该团队的研究于 1 月 23 日发表在《物理评论快报》杂志上。
