宇宙深處,一場難以想象的時空劇變正在悄然發生。黑洞撕裂時空,引力波跨越數十億光年抵達地球,甚至有科學家猜測,這些信號可能來自另一個宇宙。近日,中國科學院大學的研究團隊在分析引力波數據時,發現了一個極為異常的信號——它短暫、尖銳,持續時間不足0.1秒,卻讓整個天體物理學界陷入沉思:這究竟是自然現象的極端表現,還是另一個宇宙在向我們傳遞信息?
這個被命名為GW190521的信號,于2019年5月21日被LIGO和VIRGO引力波探測器共同記錄。自2015年人類首次直接探測到引力波以來,黑洞合并、中子星碰撞等事件已逐漸成為常規觀測目標。然而,GW190521卻完全打破了常規——它沒有標準的“旋近”階段,即兩個黑洞在引力作用下逐漸靠近、軌道收縮、引力波頻率和振幅持續升高的過程。相反,它只有一聲突兀的巨響,隨后徹底歸于沉寂。
標準的雙黑洞合并過程通常是這樣的:兩個黑洞相互繞轉,軌道逐漸收縮,引力波頻率從低頻嗡鳴迅速攀升至高頻尖嘯,最終在合并瞬間戛然而止。整個過程通常持續數秒甚至更久,波形清晰、連續、可預測。但GW190521的波形幾乎是一次瞬時脈沖,持續時間僅約0.1秒,峰值頻率在30赫茲左右。這種異常讓研究人員一度懷疑是儀器噪聲或地面干擾,但經過反復交叉驗證,LIGO和VIRGO團隊確認該信號具有高度顯著性,且來自天體物理源。
那么,什么機制能產生如此短促而強烈的引力波?一種解釋認為,這兩個黑洞并未經歷旋近階段,而是以近乎對撞的方式直接合并。在極端情況下,若兩個黑洞初始相對速度極高、軌道偏心率極大,甚至接近直線軌跡,它們可能在極短時間內完成合并,跳過漫長的旋近過程。這種“頭對頭”碰撞在廣義相對論框架下是允許的,數值相對論模擬也證實其可行性。但問題在于,這類事件的發生率極低,低到幾乎可以忽略。
既然常規天體物理模型難以解釋,科學家開始嘗試更激進的假設。中國科學院大學的研究團隊提出:GW190521可能并非源自我們這個宇宙,而是通過蟲洞從另一個宇宙“泄漏”進來的引力波信號。蟲洞,即愛因斯坦-羅森橋,是廣義相對論場方程的一個合法解,描述了一種連接兩個時空區域的拓撲結構,理論上可連接遙遠星系,甚至不同宇宙。盡管蟲洞需要奇異物質(具有負能量密度的物質)維持穩定,但在極端高能過程中——例如黑洞合并瞬間——量子引力效應可能短暫支撐蟲洞開啟。
研究者構建的場景是這樣的:在另一個宇宙中,兩個黑洞正按標準過程旋近合并。就在它們融合成一個新黑洞的臨界時刻,巨大的時空曲率導致局部時空結構撕裂,形成一個瞬時蟲洞。該蟲洞一端位于原宇宙的合并點,另一端則意外連通至我們所在的宇宙。由于蟲洞極不穩定,僅在合并完成的瞬間存在,因此只有引力波信號中最強烈的“峰值”部分得以穿越蟲洞,進入我們的時空。而旋近階段的低頻、低振幅信號則被截斷,無法通過。這就完美解釋了為何我們只接收到一個短促、高強度的脈沖,而非完整的啁啾波形。
這個假說并非空想。研究團隊基于廣義相對論和蟲洞動力學,分別計算了“直接碰撞”模型和“蟲洞跨宇宙傳輸”模型所預測的引力波波形,并與LIGO/VIRGO的實際觀測數據進行擬合。結果顯示:直接碰撞模型的匹配度略優于蟲洞模型,但差異微乎其微——兩者在統計上幾乎等價。這意味著現有數據無法排除蟲洞假說。科學上,當兩個理論模型對同一組觀測數據的解釋力相差無幾時,我們不能武斷地否定其中任何一個,尤其當其中一個模型指向全新物理圖景時,更應保持開放。
當然,蟲洞假說也面臨嚴峻挑戰。首先是穩定性問題:經典廣義相對論中的蟲洞會因引力塌縮在普朗克時間內關閉,除非存在負能量物質。而負能量物質是否真實存在,仍是未解之謎。不過,近年一些量子引力理論(如半經典引力、全息原理)指出,在黑洞視界附近或奇點區域,量子漲落可能產生有效負能量,短暫支撐蟲洞結構。這雖未被實驗證實,但至少在理論上為蟲洞的瞬時存在提供了可能性。
若GW190521真來自蟲洞,其信號可能攜帶額外特征。例如,蟲洞喉部的反射效應可能在主脈沖后產生微弱“回聲”。已有研究團隊在原始數據中搜尋此類回聲,部分分析聲稱探測到統計顯著的滯后信號,但另一些團隊則認為只是噪聲起伏。目前尚無共識。
GW190521的另一個關鍵特征是其最終黑洞質量約為142倍太陽質量,這正好落在“中等質量黑洞”(IMBH)區間——介于恒星質量黑洞(100 M☉)與超大質量黑洞(10? M☉)之間。長期以來,IMBH的存在缺乏直接證據,GW190521是首個明確通過引力波確認的IMBH形成事件。這一發現本身已具有里程碑意義,無論其起源如何。
更值得注意的是,該事件的兩個前身黑洞質量分別為85 M☉和66 M☉。其中85 M☉的黑洞處于所謂的“對不穩定質量間隙”(pair-instability mass gap)。根據恒星演化理論,質量在65–120 M☉之間的恒星在死亡時會因對不穩定性發生完全爆炸,無法留下黑洞殘骸。因此,85 M☉黑洞的存在本身就挑戰了標準恒星演化模型。它可能是由更小黑洞多次合并形成,或是原初黑洞,甚至來自其他宇宙——這進一步增加了事件的神秘性。
有人或許會問:為何科學家如此執著于一個0.1秒的信號?因為這0.1秒承載的是17億年前發生在遙遠宇宙深處的一場時空劇變。引力波穿越浩瀚空間,振幅衰減至10?21量級,卻仍能被地球上的激光干涉儀捕捉。人類不僅探測到了它,還能從中反推黑洞質量、自旋、距離、軌道參數,甚至嘗試推斷其是否來自另一個宇宙——這本身就是科學能力的極致體現。
未來的觀測將提供關鍵線索。下一代地面探測器(如Einstein Telescope、Cosmic Explorer)將具備更高靈敏度和更低頻響應,可能捕捉到更多類似GW190521的短促事件。空間引力波天文臺LISA則能探測毫赫茲頻段信號,有望觀測到超大質量黑洞合并或蟲洞形成的低頻前兆。若多個短脈沖事件呈現出共同的波形特征、偏振模式或天區分布異常,蟲洞假說或將獲得支持。
也有可能,GW190521只是極端天體物理環境下的罕見產物。例如,在球狀星團或星系核星團中,黑洞通過動力學相互作用形成高偏心率軌道;或在早期宇宙中,原初黑洞直接以對撞構型形成。這些模型雖小眾,但仍在標準宇宙學框架內。
但科學的魅力恰恰在于:當數據拒絕被現有理論完全馴服時,我們必須嘗試跳出框架。蟲洞、多元宇宙、量子引力——這些概念曾被視為哲學思辨,如今正逐漸進入可檢驗的科學領域。GW190521或許不會成為“另一個宇宙存在”的鐵證,但它無疑打開了一個窗口,讓我們得以窺見物理學邊界之外的可能性。
有網友在論壇上寫道:“如果另一個宇宙真的通過蟲洞發送了信號,那他們是否也在分析我們的引力波?是否也在爭論:‘這個信號,是不是來自另一個宇宙?’”這種互為鏡像的想象并非無稽之談。在某些量子引力或全息宇宙模型中,所有宇宙可能共享同一個底層結構,引力波或許是跨越宇宙膜(brane)的唯一可穿透擾動。
無論如何,GW190521已經改變了我們對黑洞合并的認知。它證明宇宙中的致密天體并合事件遠比我們想象的多樣。旋近-合并-鈴宕(ringdown)三部曲并非唯一劇本,宇宙還可能上演“瞬時對撞”甚至“跨宇宙投遞”的戲碼。科學不需要確定性來前進,它只需要一個無法被輕易解釋的異常。GW190521就是這樣一個異常。它短促、尖銳、不合常理,卻真實存在。而人類,正努力從這0.1秒的時空漣漪中,讀出宇宙最深層的秘密。











