爱因斯坦“引力记忆”理论可能是真的

爱因斯坦的广义相对论表明，对古代事件的“记忆”，例如黑洞合并，可能被引力波蚀刻在时空的结构中。新的研究表明，这种引力记忆理论最终是如何被证明的。

当黑洞盘旋走向碰撞时，它们会发出引力波，在宇宙中泛起涟漪。新的研究表明，宇宙中最早的黑洞合并的证据可能印在时空的结构上。 （图片来源：VICTOR de SCHWANBERG/科学照片库，来自 Getty Images）

一组理论物理学家提出了一种新方法来检验爱因斯坦广义相对论中最有趣的预测之一：引力记忆。

这种效应是指由称为引力波的时空涟漪的通过引起的宇宙结构的永久性变化。尽管这些波已经被激光干涉仪引力波天文台 （LIGO） 和室女座干涉仪等天文台检测到，但这些波挥之不去的印记仍然难以捉摸。

研究人员认为，宇宙微波背景——宇宙大爆炸留下的微弱光芒——可能带有来自遥远黑洞合并的强大引力波的特征。研究这些信号不仅可以证实爱因斯坦的预测，还可以阐明宇宙历史上一些最具能量的事件。

“对这种现象的观察可以为我们提供更多关于物理学不同领域的知识，”瓦伦西亚大学博士生、该研究的合著者 Miquel Miravet-Tenés 。“由于它是对爱因斯坦广义相对论的直接预测，它的观测将作为对该理论的证实，就像 LIGO、Virgo 和 KAGRA [神冈引力波探测器] 对引力波的观测所做的那样！它也可以用作研究某些天体物理场景的附加工具，因为它可以包含有关产生记忆的事件类型的信息，例如超新星或黑洞碰撞。

根据广义相对论，扭曲时空的大质量物体可以产生以光速穿越宇宙的涟漪。当大质量物体加速时，例如当两个黑洞向内盘旋并合并时，这些引力波就会产生。

与穿过物质并保持物质不变的普通波不同，引力波可以永久改变时空本身的结构。这意味着它们穿过的任何物体，包括称为光子的基本光粒子，都可能经历速度或方向的持久变化。因此，穿过宇宙的光可以携带对其特性中烙印的过去引力波事件的记忆。

研究人员探索了是否可以在宇宙微波背景中观察到这种效应——自宇宙年龄仅为当前年龄的百分之一以来，这种遗迹辐射场一直在太空中传播。这种辐射温度的细微变化可能为古代黑洞合并产生的引力波提供线索。

“我们可以学到很多东西，”哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所（Niels Bohr Institute at the Copenhagen）的博士生、该研究的另一位合著者凯·亨德里克斯（Kai Hendriks）。“例如，测量引力波信号中的引力记忆可以为我们提供有关产生该信号的两个黑洞特性的更多信息;那些黑洞有多重，或者它们离我们有多远。

但其影响不仅限于单个黑洞合并。如果可以在宇宙微波背景中检测到引力记忆的印记，就可以揭示超大质量黑洞在早期宇宙中是否比今天更频繁地合并。这可能会为星系和黑洞如何随宇宙时间演化提供新的见解。

引力波从两个合并的黑洞中荡漾而出的插图（图片来源：NASA Goddard）

为了确定是否可以检测到记忆效应，该团队计算了黑洞合并如何影响宇宙微波背景。他们的分析表明，这些猛烈事件应该会在背景辐射中留下可测量的变化，信号的强度取决于黑洞的质量以及这种合并在整个历史上发生的频率。

“光的波长与其温度直接相关——小波长意味着高温，长意味着低温，”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 （David O'Neill） 。“一些受引力波记忆影响的光变得'更热'，而另一些光则变得'更冷'。”热光和冷光区域在天空中形成一种图案。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）已经详细地绘制了宇宙微波背景的地图，但预计由引力波记忆引起的温度变化将非常小——大约为万亿分之一度。这使得它们难以用现有技术进行观察。然而，未来具有更高灵敏度的望远镜可能能够检测到这些细微的扭曲，从而提供一种新方法来探测塑造宇宙的不可见引力影响。

虽然该研究表明引力波记忆应该在宇宙微波背景中留下痕迹，但研究人员承认他们的计算是基于简化的假设。在做出明确的预测之前，需要更精细的模型。

例如，该团队最初假设所有合并的黑洞都具有相同的质量，而实际上，它们的质量可能会有很大差异。超大质量黑洞的质量从太阳质量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有所不同。在未来的研究中，考虑这种变化将很重要。

“现在，我们正在研究的影响非常微妙。然而，在天空的某些区域，它可能会出乎意料地强烈，“亨德里克斯说。“为了探索这一点，我们需要更先进的模型，这些模型要考虑到宇宙的整个演化。所以这不是一件容易的事！但这可能会使我们更接近于探测到这个宇宙印记，并揭示对宇宙演化的新见解。