愛因斯坦「重力記憶」理論有望成真？最新研究揭示關鍵線索

愛因斯坦的廣義相對論提出了一個令人著迷的預測：古老的天文事件，如黑洞合併，可能會透過重力波在時空結構中留下永久的「記憶」。如今，一項最新研究為這一理論提供了新的驗證方法，並揭示了其背後的科學意義。

由理論物理學家組成的團隊提出了一種新方法，來測試廣義相對論中最引人入勝的預測之一——重力記憶效應。這種效應指的是重力波透過時空時，對宇宙結構造成的永久性改變。儘管像LIGO（雷射干涉重力波天文臺）和Virgo干涉儀等觀測站已經成功偵測到重力波，但其殘留的「記憶」卻一直難以捕捉。

研究人員認為，宇宙微波背景輻射——大爆炸遺留下來的微弱餘輝——可能攜帶了來自遙遠黑洞合併的強力重力波訊號。研究這些訊號不僅能證實愛因斯坦的預測，還能揭示宇宙歷史上最劇烈事件的奧秘。

「觀察到這一現象可以讓我們對物理學的不同領域有更深入的瞭解，」該研究的共同作者、瓦倫西亞大學博士生Miquel Miravet-Tenés透過電子郵件向《Live Science》表示。「由於這是廣義相對論的直接預測，其觀察將如同LIGO、Virgo和KAGRA（神岡重力波探測器）偵測到重力波一樣，成為理論的強力佐證。此外，它還能作為研究某些天體物理場景的額外工具，因為它可能包含關於產生記憶的事件型別的資訊，例如超新星或黑洞碰撞。」

根據廣義相對論，巨大物體扭曲時空時會產生以光速傳播的漣漪，即重力波。當兩個黑洞螺旋靠近並合併時，這種波便會產生。與普通波不同，重力波能永久改變時空結構本身，這意味著它們透過的任何物體，包括被稱為光子的光的基本粒子，都可能經歷速度或方向的持久變化。因此，穿越宇宙的光可能攜帶了過去重力波事件的「記憶」。

研究團隊探討了這種效應是否能在宇宙微波背景輻射中觀察到。這種輻射是宇宙年齡僅為目前的極小部分時便開始穿越空間的遺留輻射場。其溫度的微妙變化可能隱藏著古代黑洞合併所產生的重力波線索。

「我們可以學到很多東西，」該研究的另一位共同作者、哥本哈根大學尼爾斯·波爾研究所博士生Kai Hendriks在電子郵件中表示。「例如，測量重力波訊號中的重力記憶，能讓我們更瞭解產生這一訊號的兩個黑洞的特性，例如它們的質量有多大，或者距離我們多遠。」

然而，這一發現的意義遠不止於個別黑洞合併。如果能在宇宙微波背景輻射中偵測到重力記憶的印記，它可能揭示超大質量黑洞在早期宇宙中是否比現在更頻繁地合併。這將為星系和黑洞在宇宙時間尺度上的演化提供新的見解。

為了確定是否能偵測到重力記憶效應，研究團隊計算了黑洞合併對宇宙微波背景輻射的影響。他們的分析顯示，這些劇烈事件應會在背景輻射中留下可測量的變化，訊號的強度取決於黑洞的質量以及歷史上此類合併的頻率。

「光的波長與其溫度直接相關——波長短意味著溫度高，波長長則意味著溫度低，」該研究的另一位共同作者、尼爾斯·波爾研究所博士生David O'Neill在電子郵件中解釋道。「受重力波記憶影響的光，其中一部分會變得更『熱』，而另一部分則變得更『冷』。這些熱和冷的區域會在天空中形成一種模式。我們預測這種模式會出現在宇宙微波背景輻射中，儘管非常微弱。」

儘管目前能夠偵測微波輻射的望遠鏡，如普朗克衛星，已經以極高的精度繪製了宇宙微波背景輻射，但重力波記憶引起的溫度變化預計極其微小——僅為萬億分之一度。這使得現有技術難以觀察到這些微妙的變化。然而，未來更靈敏的望遠鏡或許能偵測到這些細微的扭曲，為探索塑造宇宙的無形重力影響提供新方法。

儘管研究表明重力波記憶應在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，但研究人員承認他們的計算是基於簡化的假設。在做出明確預測之前，還需要更精細的模型。例如，團隊最初假設所有合併的黑洞質量相同，而實際上它們的質量可能差異巨大。超大質量黑洞的質量範圍從太陽的數百萬倍到數百億倍不等，這意味著它們對宇宙微波背景輻射的影響也會有所不同。在未來的研究中，考慮這種變化將至關重要。

「目前，我們正在研究的效應非常微妙。然而，在某些天空區域，它可能會意外地強烈，」Hendriks表示。「為了探索這一點，我們需要更先進的模型，考慮到宇宙的整個演化過程。這絕非易事！但這可能讓我們更接近偵測到這種宇宙印記，並揭示宇宙演化的新見解。」