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“女士们，先生们，我们探测到了引力波！”近十年前，大卫·赖茨（David Reitze）在全球各地的欢呼与掌声中宣布了这件事。作为激光干涉引力波天文台（LIGO）的执行主任，赖茨表示，在 2015 年 9 月 14 日，天文台终于探测到了时空涟漪，而这正是阿尔伯特·爱因斯坦在 1916 年所预言的。这些涟漪是由十亿多光年外两个黑洞的碰撞所引起的。
十年过去，引力波已经为我们提供了大量有关其来源天体的信息，尤其是黑洞。但是，该领域的研究还远未结束。事实上，来自剑桥大学的物理学家最近在一系列研究的基础上提出，并非所有看起来像黑洞的天体就一定是黑洞——这一研究也有望帮助解开暗物质之谜。
什么是引力波？
顾名思义，引力波与引力有关。1687年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）提出了万有引力定律，描述了两个大质量物体之间的引力吸引。这一定律在此后很长时间内无人能够撼动，直到1905年爱因斯坦发表了狭义相对论，指出宇宙中存在一个绝对的速度极限，任何物体的运动速度都无法超过光速，即大约每秒30万公里。而这与牛爵爷的观点相悖，牛顿认为引力的作用是瞬时的：如果把太阳移走，地球上会立刻感受到影响。
之后爱因斯坦自己解决了这一问题，指出引力并非以某种神秘的方式在以太中传播的力，而是空间弯曲的结果。一个常用的类比是放在蹦床上的保龄球。保龄球会在蹦床上压出一个凹陷，使其表面发生弯曲，因此放在附近的弹珠会顺着凹陷滚向保龄球。根据爱因斯坦的理论，大质量天体会以类似的方式弯曲时空，导致质量较小的天体被其吸引。
爱因斯坦的广义相对论的一个推论便是，当大量物质集中在一小块空间区域中时，其运动在理论上就会产生一种能够跨越时空并被感受到的涟漪。这种涟漪后来便被称为引力波。
“爱因斯坦在提出他的理论之后很快就意识到，这种波正是他提出的方程的解，”剑桥大学应用数学与理论物理系（DAMTP）斯蒂芬·霍金理论宇宙学中心的理论物理学教授乌尔里希·斯佩尔哈克（Ulrich Sperhake）解释道。“这引发了一场持续近半个世纪的争论。直到20世纪50年代末和60年代初，人们才认识到引力波不仅仅是爱因斯坦理论的一种数学结果，而且还是一种真实的物理现象。这也促使人们开始了探测引力波的初步尝试。”
人们从研究开始就已经认识到，引力波极其微弱。斯佩尔哈克表示：“当引力波穿过你的身体时，你什么也感觉不到。”在随后的几十年里，为了探测引力波，人们研发出了极其精密的测量仪器。最终，在 2015 年 9 月 14 日，激光干涉引力波天文台（LIGO）成功探测到了引力波。并且经认定，该引力波源于 10 亿多光年之外两个黑洞的碰撞。2016 年 2 月，官方正式宣布了这项革命性的发现。
自那以后探测到的所有引力波信号，都被认为要么源于成对的黑洞，要么源于另一种成对的被称为中子星的致密天体（这类成对的天体被称为双星系统，binaries）。“由于这些天体的体积较小，它们彼此可以靠得非常近而不真的撞上，”斯佩尔哈克的研究生塞佩·斯塔伦斯（Seppe Staelens）表示。“正是在它们进行高速的相互绕转运动时，引力波被释放了出来。在这个过程中，引力波会变得越来越强，直至它们最终相撞，并且这通常会产生一个新的黑洞。也正是在那一刻，引力波信号会迅速衰减。”
物理学家之所以知道这些，并非因为他们直接观测到了双星系统。相反，他们是通过爱因斯坦的理论进行计算，推断出了哪类天体有可能发出他们所探测到的信号（基于这样的计算，他们能够生成出像下面这样的计算机模拟画面）。
双黑洞合并事件GW 170104的模拟演示。马克斯·普朗克引力物理研究所（Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik）
“引力波信号就像指纹一样，”斯佩尔哈克表示。“你我的指纹虽然相似，但绝不相同。同样地，正是基于这些细微的差异，我们才能够通过观测到的引力波信号，推断出产生该信号的黑洞或中子星的具体性质。”
当你手里有一把锤子时……
由于引力波携带着其来源天体的信息，它们为我们提供了一种观测宇宙的全新工具。在首次探测到引力波以来的十年里，我们已经借此了解到了很多事。例如，引力波不仅为双黑洞系统的存在提供了首个观测证据，还帮助科学家们对宇宙中黑洞的族群分布进行了调查。
但与此同时，物理学家们也陷入了某种困境。当他们基于引力波信号来识别某个天体或事件时，这就好比警察将犯罪现场提取的指纹与警方数据库中的记录进行比对。然而，这个引力波“指纹”数据库是通过理论推导建立的。换句话说也就是，物理学家预先设定具有某些特定属性和参数的假想黑洞或中子星双星系统，然后计算出它们对应的指纹应该是什么样子。
然而，在犯罪现场留下指纹的人可能并不在警方的档案中，此时如果在数据库里寻找“近似匹配”，就会指向错误的嫌疑人。同样地，引力波数据库中的近似匹配永远只会将结果指向黑洞或中子星的合并，但实际上，这个指纹可能源于某种截然不同的未知天体。如此一来，将有可能永远无法发现真正的信号源。正所谓，当你手里有一把锤子时，看什么都像钉子。
基于这个原因，包括斯佩尔哈克及其同事在内的物理学家们，一直致力于扩充现有的引力波指纹数据库。为此，他们引入了一类尚无法证实是否真实存在的假想天体：玻色子星（boson stars）。
发明星体
“包括我们所在的星球在内，我们已知的所有行星与恒星，都是由一类被称为费米子的粒子构成的，”斯佩尔哈克表示。费米子包含了诸如电子和质子等我们熟知的粒子。但除此以外，还存在另一类被称为玻色子的粒子。这类粒子包括光子，以及著名的希格斯玻色子。
"上世纪 50 年代中期，物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）曾思考：‘既然我们能看到由费米子组成的星体，那为什么不能有由玻色子组成的星体呢？’”斯佩尔哈克说。“惠勒曾试图计算光子是否可能聚集形成星体，但这并未成功。因为光子过于活跃，所以它们很难形成稳定、长寿命的平衡态模型。但大约十年之后，人们提出：‘好吧，即便我们目前还不知道有什么合适的玻色子能用来构成星体，但我们可以先在理论上假定它们存在。在数学层面上，我们完全知道应该如何处理这类假想粒子。’”
其中一种假想玻色子是被称为“轴子”（axion）的粒子。科学家们设想，玻色子星正是由与轴子极为相似的粒子构成的。理论假设这类粒子不会与光发生相互作用，因此，即使玻色子星真的存在，我们也无法直接观测到它们。这也就意味着，玻色子星成为了所谓“暗物质”的候选者之一。我们相信暗物质遍布整个宇宙——因为能够观测到它产生的引力效应——但物理学家至今仍未能确定暗物质到底是什么。单凭这一点，就足以让玻色子星成为一个极具吸引力的科学猜想和研究方向。
模仿黑洞
玻色子星这种不发光的特性也意味着，它能够伪装成黑洞。尽管我们无法直接看到黑洞，但其强大的引力会弯曲周围的光线，让光线也环绕着其运动，从而形成一个光环。而这个光环的性质，决定了地球上的望远镜最终能观测到黑洞周围的高温等离子体会呈现出怎样的形态。
这张照片发布于2019年，展示了被认为是黑洞周围的高温等离子体图像。图片来源：事件视界望远镜项目（Event Horizon Telescope），基于 CC BY 4.0 许可。
借助数学工具对玻色子星模型的分析，物理学家计算出，某些特定类型的玻色子星同样会拥有光环——而且乍一看可能和黑洞的光环非常像。“我们所拥有的关于黑洞存在的大多数观测证据都与光环有关。所以任何拥有光环的天体都有可能被误判为黑洞，”斯佩尔哈克表示。
这赋予了玻色子星又一项独特的理论优势。尽管黑洞的存在已基本成为学界共识，但它们仍伴随着一些令物理学家感到困扰的理论问题。例如，黑洞中心存在一个物质密度趋于无限大的奇点；另外，至今仍无人知晓那些被黑洞吞噬的信息最终去向了哪里（根据物理定律，这些信息理应是守恒的，不应该凭空消失）。因此，那些看似黑洞的天体实际上可能并非真正的黑洞。这一设想，无疑为物理学界提供了一个激动人心，令人兴奋的探索方向。
转瞬即逝的星体？
那么，随之而来的一个有趣问题是：假想的玻色子星双星系统，是否也能产生类似于黑洞合并的引力波？在 2024 年发表的一篇论文中，斯佩尔哈克与其前研究生塔玛拉·埃夫斯塔菲耶娃（Tamara Evstafyeva），以及伊索贝尔·M·罗梅罗-肖（Isobel M. Romero-Shaw）和米哈利斯·阿加索斯（Michalis Agathos）证明了答案是肯定的。这样的双星系统在其引力波信号中留下的“指纹”，看起来与双黑洞系统的极为相似，这进一步印证了玻色子星作为黑洞“模仿者”的可能性。
研究团队数值模拟的一张快照，展示了两个玻色子星的并合过程。图片由 Tamara Evstafyeva 使用 GRChombo 代码制作，是GRTLCollaboration 合作项目的一部分。
在他们最近的研究中，加雷斯·阿图罗·马克斯（Gareth Arturo Marks，也是剑桥大学应用数学与理论物理系的研究生）、斯塔伦斯、埃夫斯塔菲耶娃以及斯佩尔哈克，共同消除了一个令人担忧的，关于玻色子星存在性可能的理论障碍。“在过去的五到十年里，学界一直有观点认为，像玻色子星这样看似黑洞的天体，在物理上可能是不切实际的，”斯塔伦斯表示。
“当时的观点是，如果在特定条件下对这样的天体施加轻微的扰动，它们就会坍缩成一个真正的黑洞。如果这是真的，那么研究所谓的黑洞模仿者就没有任何意义了，因为它们根本没有存在的机会。但是，我们的论文表明，至少在数值计算上，玻色子星并不像人们此前想象的那么极度不稳定。这意味着它们仍然是非常有趣的黑洞模仿者候选天体。”
从虚构走向现实
下一代引力波探测器有望在约十年后投入使用，其精度将比现有的探测器更高，因此像黑洞双星与理论上的玻色子星双星这样，在引力波“指纹”方面存在的细微差异，或许在未来能够被探测到。
这并不意味着物理学家真的指望有一天能观测到像教科书里所描述的那种玻色子星——能找到一个70 年前凭直觉心血来潮构想出来的天体，将会是极大的侥幸。但这并不是重点。其实玻色子星理论充当的是一种理论代表，换句话说也就是，它提供了一条指向各种尚待发现的超致密天体的理论线索。
“也许我们在未来观测到的一切都可以完全用黑洞和中子星的理论来解释，”斯佩尔哈克说。“但也可能有一天，我们会观察到一些东西，与玻色子星的计算模型更为吻合。届时我们就能知道，宇宙中确实存在着新的未知天体，不管它究竟是一颗玻色子星，还是我们尚未想到的某种天体。”
科学进步往往就是这样：你发现了某些与现有理论格格不入的现象。接着人们开始提出各种各样的假说，然后有人就撞了大运。"在这里，这个"大运"指的就是诺贝尔物理学奖（不是真的大运）。所以，无论玻色子星是否真的存在，它们或许都正握着那张理论物理人眼中最宝贵的"中奖彩票"。
作者：Marianne Freiberger
翻译：LogicMoriaty
审校：7号机
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【互动问题：“当你手里只有一把锤子时，看什么都像钉子。”因为我们只认识黑洞，差点就把玻色子星也当成了黑洞。你在科研、学习或日常生活中，有没有经历过类似这种因为“先入为主”而被疯狂打脸的时刻？】
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编辑：姬子隰
翻译内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
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