黑洞、宇宙碰撞和時空的波動

什麼是時空呢？它是一個坐標系，一種概念網格。這是衡量宇宙尺度的一種方式，除了上，下，左，右，前和後，我們也有時間--未來和過去。愛因斯坦提出的最具革命性的想法是，當空間和時間不可分割地聯繫在一起時，物理學才是有意義的，我們通過一個的方式改變了我們通過另一個的方式。而引力，任何有物質或能量的物質都會改變。

最極端的例子是黑洞。接近一個黑洞，除了被強大的引力場所撕裂的肢體外，你不會注意到很多變化。但是相對於保持安全距離的人來說，你的手錶指針、心率、思維過程以及你生活的其他方面，都會放慢到停滯狀態。

當你穿越事件視界，你將作為一個慢慢衰落、變暗的形象出現在宇宙的其他部分。如果你看你身後的宇宙，你會看到它在快速向前旋轉，在沒有你的情況下走向未來。剩下的旅程，進入深淵中心的奇點，將獨自一人看到這樣的景象。

雖然黑洞的內部我們可能無法進入，但黑洞的存在是確定的事實。大多數時候，當他們把附近的物質拉向自己時，我們可以觀察到他們，產生被稱為吸積盤的氣體炙熱漩渦。有時候，我們還可以通過恆星周圍的軌道間接地看到它們。在某些情況下，它們的引力和旋轉的吸積盤可以使磁場發生扭曲，產生大量的粒子噴射，從星系中心延伸數光年。

然而，截至去年，有一種新的方法來觀察黑洞：通過它們如何改變時空本身。

任何引力體都可以說是在時空中產生的「凹陷」，是一個網格向內彎曲的區域。當大規模物體通過宇宙加速時，這種凹陷也會移動，並在其周圍的空間中產生干擾。當兩個黑洞相互軌道相撞時，它們在太空中形成的漣漪會輻射到整個宇宙，伸展和壓縮其路徑中的一切。

這些漣漪被稱為引力波。去年，科學家們首次使用激光干涉儀引力波觀測台（LIGO）探測到它們。LIGO通過四公里長的真空管來回激活來測量精心懸掛的鏡子之間的距離。當引力波通過時，激光會有非常微小地相位差。當距離變化僅為質子寬度的千分之一時，LIGO也可以檢測到。

LIGO的專長是黑洞的碰撞。當兩個黑洞軌道距離太近時，他們開始向內旋轉，直到它們的視界接觸，然後它們合併成為一體。最後一個黑洞的質量等於兩個黑洞的質量之和，再減去在最後時刻被完全轉換成引力波的質量。這一瞬間的引力輻射的能量，能比整個可見宇宙中的每一顆恆星的合成光總和的能量還多。引力波可以在宇宙中傳播數十億年，但仍然有足夠的能量來移動LIGO的鏡子，讓我們感受到黑洞碰撞的震動。

到目前為止，LIGO已經發現了三個黑洞螺旋事件。就黑洞和引力波的基本物理學而言，所有的事件都與愛因斯坦廣義相對論的預言完全一致，這是100多年前的引力理論。但不是一切都像物理學家所期望的那樣。我們看到的漣漪是由比我們想像的更大的黑洞產生的。

產生一個黑洞很容易。拿一顆巨大的星星（至少比我們的太陽大幾倍），等待幾百萬年後崩潰，這通常是以相當混亂的方式發生的。在星塵消失後，會留下一個不錯的「恆星質量」的黑洞，它的重量將是太陽質量的幾倍到十倍。我們看到了銀河系中恆星質量黑洞的證據，因為它們有一個壞習慣，就是撕裂其他碰巧圍繞它們運行的恆星。如果黑洞在彼此的二元軌道和附近碰撞，LIGO主要是為了看到這樣的黑洞。

那裡還有很多更大的黑洞，它們的質量是太陽的數百萬倍，在星系的中心。它們似乎是通過從周圍環境中吸入大量的氣體和灰塵來增長的，儘管它們的形成過程仍然不清楚。這些超大質量黑洞也應該有時會發生碰撞，但這些碰撞的引力波的頻率太低，無法被LIGO檢測到。

我們一直認為中等質量範圍的黑洞可能存在，但是很難在觀察中找到證據。有幾個可能的解釋。有些與黑洞形成的理論有關，有些黑洞在不同的環境中合併的速度很快，還有一些與選擇效應有關：事實上，大黑洞的合併使得時空中的「斑點」更大，因此更容易LIGO發現。這些中等規模的黑洞正在幫助我們更好地了解黑洞的形成和發展。

LIGO將繼續搜索，隨著時間的推移，新的探測器將上線，這將為我們提供更多的數據，並幫助我們確定每個信號來自哪個方向。這意味著我們可能能看到由事件或星系所產生的爆發的光線，這將使我們更清楚地知道它們是如何發生的。但即使只有幾個被檢測，這意味著一個新時代的天文學已經開始了。

引力波天文學，從這個方向，我們不以光或粒子來觀察宇宙，而是通過拾取時空本身的振動，是我們宇宙觀的真正革命。當我們繼續進入未知世界時，我們只能猜測它可能告訴我們什麼。

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