引力波如何帮助探测星际迷航式曲速引擎宇宙飞船

让我们举一个稀奇古怪的例子。如果有外星人带着我们在科幻节目中经常看到的那种曲速引擎技术在我们的银河系中飞行，他们的飞船发出的信号会是什么样子的?也许令人惊讶的是，我们的研究表明，无论这种东西是否真的存在，我们都有工具来回答这个问题。

使用光探测太空的望远镜现在几乎可以看到可观测到的极限。我们探索的每一个新频率——从伽马射线和X射线到红外线和无线电——都教会了我们一些新的和意想不到的东西。

2015年，一种新型望远镜Ligo探测器投入使用，它不是寻找光波，而是寻找引力波，引力波是空间和时间中看不见的“涟漪”。大自然再次给我们带来了惊喜，一对黑洞发出了标记为GW150914的信号。每个黑洞的质量约为太阳的30倍，在距离我们14亿光年的剧烈碰撞中合并在一起。

自那时起，引力波就成为学者探索宇宙的重要新工具。但我们的探索才刚刚开始。我们可能在数据中看到什么信号?它们会改变我们对宇宙物理学的看法吗?

然而，一个更实际的问题常常被忽视——如果某物存在，我们如何识别它?

从科幻到严肃科学

您可能在《星际迷航》等系列电影中见过曲速引擎。曲速引擎是一种假想的技术，它可以压缩星际飞船前方的空间，并扩大后方的空间。虽然没有什么能比光速更快，但在曲速引擎中，我们可以通过缩短距离来作弊。因此，从A到B所需的时间小于光在另一条未压缩路径上所需的时间。

1994年，理论物理学家米格尔·阿库别瑞(MiguelAlcubierre)实现了从科幻到现实科学的飞跃，当时他受到启发，使用爱因斯坦的广义相对论方程来建立曲速驱动模型。

广义相对论是时空曲率(引力)与物质或能量(材料)分布之间的关系。通常，我们首先要了解“材料”。例如，我们知道有一团物质代表行星或恒星。然后我们将该物质放入方程式中以确定时空如何弯曲。它的弯曲方式告诉我们将测量物体周围的引力。

你可以说这正是艾萨克·牛顿的引力图景所做的——给出物体质量与其所施加引力之间的关系。你说得对。但时空曲率的概念引发了比简单力更丰富的现象。它允许一种排斥引力推动我们的宇宙膨胀，在巨大物体周围产生时间膨胀和时空中的引力波，并且——至少在理论上——它使曲速引擎成为可能。

阿库别瑞从与通常相反的方向解决了这个问题。他知道自己想要什么样的时空曲率。这种曲率可以让物体在扭曲的时空区域上冲浪。因此，他逆向思考，以确定创建这种曲率所需的物质配置类型。这不是方程的自然解，而是“定制”的东西。不过，这并不是他想要的那种东西。他发现，他需要奇异物质，即具有负能量密度的东西，才能以正确的方式扭曲空间。

物理学家通常对奇异物质解决方案持怀疑态度，这是理所当然的。虽然从数学上讲，人们可以描述具有负能量的物质，但我们所知道的几乎所有事物似乎都具有正能量。但在量子物理学中，我们观察到能量正性的短暂小幅违规可能会发生，因此，“无负能量”不可能是绝对的基本定律。

从曲速引擎到波浪引擎

有了阿库别瑞的曲速驱动时空模型，我们就可以开始回答我们最初的问题——它发出的信号会是什么样子的?

现代引力波观测的基石之一，也是其最伟大的成就之一，是能够利用一种名为“数值相对论”的工具，从物理场景中准确地预测波形。

这个工具之所以重要有两个原因。首先，因为我们从探测器获得的数据仍然非常嘈杂，这意味着我们通常必须大致了解信号的样子才能将其从数据流中提取出来。其次，即使信号非常响亮以至于在噪声中脱颖而出，我们也需要一个模型来解释它。也就是说，我们需要对许多不同类型的事件进行建模，这样我们才能将信号与其类型相匹配;否则我们可能会倾向于将其视为噪音，或错误地将其标记为黑洞合并。

曲速引擎时空的一个问题是，除非启动或停止，否则它不会自然产生引力波。我们的想法是研究曲速引擎停止时会发生什么，特别是在出现问题的情况下。假设曲速引擎遏制场崩溃(科幻小说中的主要故事情节);据推测，奇异物质和引力波都会性释放。这是我们可以使用数值相对论模拟的，而且确实模拟了。

我们发现，曲速引擎泡沫的坍缩确实是一个极其剧烈的事件。扭曲时空所需的巨大能量以引力波和正负物质能量波的形式释放出来。不幸的是，这很可能是飞船船员的末日，他们将被潮汐力撕裂。

我们知道引力波信号会被发射;任何物质的混乱运动都会产生这样的波。但我们无法预测振幅和频率，以及它们如何取决于扭曲区域的大小。

我们惊讶地发现，对于一艘1公里大小的飞船来说，信号幅度对于我们银河系内甚至更远的任何此类事件来说都是巨大的。在1兆秒差距(比仙女座星系稍远)的距离处，信号与我们目前的探测器灵敏度相似。然而，波的频率比它们所观察的范围高出约一千倍。

我们应该诚实地说，我们不能声称我们的信号是确定的曲速驱动信号。我们必须在模型中做出相当多的具体选择。而我们假设的外星人可能做出了不同的选择。但作为原理证明，它表明可以模拟超出标准天体物理事件的情况，并且可能具有我们可以在未来探测器中搜索的独特形式和形状。

我们的工作还提醒我们，与对光波的研究相比，我们仍处于伽利略的阶段，在可见光的窄频带中拍摄宇宙。我们还有整个引力波频率谱有待探索，这将对发生在空间和时间上的一系列现象敏感。

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