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银心里藏着玻色星？
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Stuart Clark 文 Shea 编译 |
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第一次直击银河系中心的天文学家也许会带来一个大大的惊喜。 神奇、疑惑、恐怖：黑洞无疑是宇宙中让人又爱又恨的天体。这些不可思议的天体是爱因斯坦的广义相对论所做出的坚实预言，而广义相对论则是迄今最好的引力理论。尽管如此，理论物理学家曾经在很长一段时间里一直在争论黑洞是否真的存在，直到天文学家得到了它们的第一批观测证据。现在，我们知道黑洞无处不在：巨型恒星会坍缩成黑洞，大质量天体碰撞会形成黑洞；包括我们的银河系在内，在每一个大型星系的中心都存在黑洞。 2017年，人类有史以来第一次开始对银河系中心的超大质量黑洞进行直接成像观测。但是，就在这一观测正在有条不紊地开展时，一些物理学家正在思考另一个特立独行的想法：要是那里不存在黑洞会怎么样？ 对黑洞的痴迷兴许限制了我们的想象力，让我们忽视了其他一些甚至更为离奇的事情，例如微观的粒子世界。描述除引力之外其他所有作用力的最佳理论是量子力学，但黑洞与量子力学并不相容。从量子力学的角度来看，黑洞并非是银河系中心唯一的选择。 毫无疑问，这个想法极具猜想性，但也绝对有理由来仔细地思考它。 从复杂性的角度来看，黑洞的基本概念却非常简单。爱因斯坦于1915年提出的广义相对论预言，大质量的天体会弯曲周围的时间和空间，产生我们所说的引力。如果一个天体的质量足够大且密度足够高，时间和空间的弯曲程度就会激增，产生极其强大的引力场，使得任何物质一旦越过其“事件视界”就永远也无法逃逸，即便是光亦是如此。  其实，没有人知道在黑洞内部事物是如何运转的。广义相对论认为，任何落入黑洞的东西都被黑洞引力拉入其体积为0且密度为无穷大的“奇点”，但目前还没任何人真正了解奇点的内涵与意义。与此同时，理论物理学家最精细的计算表明，黑洞要么必定会破坏信息——这在量子理论中是绝不允许的，要么必定在其周围形成一道高能的火墙——这会破坏广义相对论的等效原理。于是，黑洞成为了一个主宰广袤时空的广义相对论与统治着微观世界的量子力学相遭遇的地方，结果并不乐观。 在20世纪60年代，这些问题就已开始显现，但这并没有阻止天文学家想像大自然形成黑洞的方式。例如，当一颗大质量恒星的燃料耗尽时，它会在自身的引力下坍缩成一个恒星质量黑洞。根据其特性，这样的一个天体会是黑色的，不可能与漆黑的宇宙区分开，但可以通过其他方式确认它的存在。1964年，在天鹅座中发现了大量的X射线。被称为天鹅X-1，它看起来和黑洞吞食的高温气体所发出的辐射如出一辙。到20世纪70年代，天文学家终于有了充足的信心宣布，天鹅X-1几乎肯定是一个正在进食周边物质的恒星质量黑洞。 但事情其实才刚刚开始。在宇宙早期，当巨型星云坍缩形成星系时，其中心处气体的密度会骤升，形成超大质量黑洞，它们每一个的质量都高达太阳的数百万甚至数十亿倍。在我们银河系的中心就有着这样一个超大质量黑洞，被称为人马A*。在20世纪70年代，因其是一个特别强的射电信号源而被发现。随后的研究，特别是它的引力对周围恒星的作用方式，让天文学家确信，它确实是一个质量为太阳400万倍的黑洞。 去年，随着首次探测到引力波，它为黑洞的存在提供了进一步令人信服、但仍然是间接的证据。时空中加速运动的大质量天体会发射出引力波，例如两个相互绕转直至碰撞的天体。2015年9月激光干涉引力波天文台（LIGO）所观测到的信号正如广义相对论对两个恒星质量黑洞碰撞并合 所做出的预言。LIGO此后观测到的另外两个信号也都与恒星质量黑洞并合相符。  一切就这么结束了？先别着急。虽然黑洞双星系统对引力波来说是一个既明显又简单的解释，但并不是唯一的解释。尤其是，这些信号有可能并非来自黑洞，而是一个截然不同的理论预言天体：玻色星。 让我们稍稍停一下。构成绝大多数物质——你、我以及黑洞——的最基本粒子都属于费米子。它们的标志性特征是遵循泡利不相容原理，即两个费米子无法占据相同的量子能态。泡利不相容原理解释了物质世界的样貌：它决定了在原子核周围的不同能态中电子是如何排布的，从而确定了各种化学元素的性质。 玻色子则是完全不同类型的粒子。于2012年发现的希格斯玻色子也许是其中最有名的例子。它使得物质粒子具有了质量；其他的玻色子则承载着力，使得物质间可以发生相互作用。玻色子其实一点也不另类。事实上，我们无时无刻不在“看”它们，因为光子就是玻色子。 关于玻色子，至关重要的一点是，它们可以不受任何限制地聚集到一起。它们不会形成某种不可控的亚原子集团，而是会形成一种粒子集合，被称为玻色-爱因斯坦凝聚。  我们知道如何在实验室里制造出玻色-爱因斯坦凝聚。我们现在也知道，只要玻色子合适，没有什么可以阻止它们在更大的尺度上形成一个物体。虽然目前还没有被天文观测证实，但一些物理学家认为它们可以形成一颗“恒星”。这里的“恒星”指的是一团聚集在一起的物质，而非天文学中通常语境下的含义。 当普通物质形成恒星时，引力会加热它，使其点燃核聚变，进而发光。相比之下，玻色星则悄无声息。数值模拟显示，如果玻色星具有和普通恒星一样的自转，那么在离心力的作用下它会呈现出类似面包圈的圆环形。 这些宇宙面包圈是透明的。由于自身不会发出任何的光，因此无法看到它们，唯一能暴露它们踪迹就是它们强大的引力。这听上去是不是似曾相识？没错，玻色星可以模仿黑洞，我们有可能被它“骗”了。 玻色星的想法并不是什么新鲜事物，但天体物理学家们一直不喜欢它，因为没有人能想的出来什么样的玻色子能构成一颗玻色星，毕竟诸如像光子这样承载基本作用力的玻色子是不符合要求的。此后，希格斯玻色子被发现了。它重新掀起了对新型玻色子的兴趣，这反过来又促使物理学家开始探讨玻色星存在的可能性。  虽然目前LIGO还无法判断引力波信号是来自两个黑洞还是两颗玻色星，但探测引力波会是一个有效的方法。两者的差异并不在并合前两个天体逐渐相互靠近的阶段；相反，差异会出现在这两个天体并合之后的振荡过程。与钟声类似，每个天体都具有各自的频率和音调。给定质量的黑洞有着自己的音调，而玻色星的则与之不同。不幸的是，LIGO还没有足够的精度来聆听这一振荡信号，为此所需的技术升级可能至少要花5年的时间。 旨在对黑洞进行直接成像的国际合作计划——事件视界望远镜——也许很快就能澄清这一切。全球各地的射电望远镜被综合起来，它的目的不仅是要探测高温气体在掉入人马A*时所释放的辐射，还要对其细节进行勘测。在具备了足够的精度时，黑洞本身的形状就会显现出来——在图像中央呈一个黑色的洞。 这需要极高的分辨率，相当于在伦敦给纽约的一粒菜籽拍一张照。因此，尽管天文学家们对迄今为止所收集的数据充满热情，但与此同时也审慎地认为事件视界望远镜所获得的第一幅图像并不会既清晰又漂亮，人马A*看上去很有可能会像一颗不太好看的花生。 又或者，它也许会像一个难看的面包圈。关于是否能从图像上轻易地区分出黑洞和玻色星，科学家们的观点并不一致。有计算表明，一颗致密玻色星的引力会使得其周围的光发生弯曲，形成一个会被误认为是黑洞阴影的空白区域。于是，虽然玻色星和黑洞截然不同，但却有着相似的特征。  当然，也有人认为这个观点过于悲观。像黑洞一样，玻色星也会吸引周围的物质，但玻色星自身的透明性意味着可以看到这些位于其中心的物质。它也有可能会加热这些物质，使之发射出电磁辐射。这些辐射也许能消除玻色星的阴影。不过，物质在玻色星内部的行为仍是一个有待仔细研究的领域。 事件视界望远镜的科学家认为，他们所获得的第一幅黑洞图像兴许不会带来任何的惊喜，恐怕只不过是一个“百无聊赖”的黑洞。这其实深刻地反映出了目前科学界对黑洞的信念。即使是从事玻色星研究的科学家也承认，佐证其存在是一项长期的工作。 证明玻色星存在性的意义将会是巨大而深远的。考虑到广义相对论与量子理论之间的冲突，这兴许将会是迈向全新理论的第一步。为此，有必要保持一个开放的态度，但同时又要以实证来评判什么是对的、什么是错的。 
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[New Scientist 2017年07月15日]
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