中国科学家提出虫洞观测方案

中国科学家提出虫洞观测方案 时间: 2019年12月02日 | 作者: 张华 | 来源: 科普中国 撰文 | 张华 虫洞，是连接遥远时空区域的一种快捷通道。这种根据广义相对论预言的神秘结构，寄托了很多人实现时空旅行的梦想。不过，在现实世界中，科学家还未能证实过虫洞的存

撰文 | 张华

虫洞，是连接遥远时空区域的一种快捷通道。这种根据广义相对论预言的神秘结构，寄托了很多人实现时空旅行的梦想。不过，在现实世界中，科学家还未能证实过虫洞的存在，更不用说穿越虫洞了——要想让虫洞可穿越，需要具有负能量密度的物质撑住这个虫洞，而这在现实世界是很难做到的。

那么，如果虫洞真的存在，基于可观测的物理效应，人类能否找到它们的踪迹？

在一项发表于《物理评论D》的研究中，扬州大学物理科学与技术学院的戴德昌教授与来自纽约州立大学布法罗分校的斯托伊科维奇（D. Stojkovic）就提出，如果存在虫洞，那么通过黑洞附近的恒星的运动加速度，可以观测到这个虫洞带来的物理效应。

从引力场中寻找虫洞

无论是什么类型的虫洞模型，虫洞总是连接两个黑洞的，因此引力场可以通过虫洞从一个黑洞传递到另外一个黑洞。而引力场的扰动，为科学家寻找虫洞提供了观测对象。

按照这个思路，在这篇论文中，作者构造了一个简单的“摇晃”模型。在这个模型中，虫洞一端的黑洞周围，有一颗恒星绕着黑洞做椭圆轨道运动；而在另一端的黑洞周围，是一颗绕着黑洞做近似圆周运动的恒星。

由于虫洞的传递，做椭圆运动的恒星的引力场变化，最终会导致在相距甚远的空间中，做近似圆周运动的恒星的轨道受到引力微扰。正是这个微扰，构造了一种对虫洞的间接观测。

斯托伊科维奇在接受《纽约时报》采访时，是这样描述的：“引力是时空的一种性质，因此，当物体在虫洞的一端摇晃的时候，在虫洞的另一端，就能感受到这种摇晃。”

可观测效应

那么，对于这种通过虫洞实现的扰动，如何进行定量观测？

在这篇论文中，他们构造了一个虫洞，这个虫洞连接了两个黑洞（不考虑虫洞与负能量密度的关系，假设虫洞真的存在）。

通过一系列详细的估算，研究者最后得到了一个结构简单，但非常关键的公式：

对于在第二个黑洞附近做近似圆周运动的恒星，它会受到第一个黑洞附近恒星的引力场影响，即引力微扰。引力微扰导致了恒星运动加速度的变化。这个公式，就刻画了加速度变化量Δa。

公式右侧，μ是第一个黑洞附近，做椭圆运动的恒星的质量；ra与rp，分别是其运动轨道的半长轴与半短轴。r2是近似圆周运动的恒星的半径。R则表示了虫洞的半径。

因此，对加速度变化量Δa的高分辨率测量，就构造了一种对虫洞的间接观测。这虽然不是对虫洞的直接观测，但这就好像在直接探测到引力波之前，通过双星之间的轨道衰减推断引力波的存在一样，不失为一种科学的方法。

在银河系中心寻找证据

在银河系的中心，就存在一个大质量的黑洞。这个黑洞的质量大约是太阳质量的400万倍。

这个黑洞被称为人马座A*。而且，在人马座A*附近，存在一个蓝色的恒星S2，正围绕着它做近似圆周运动。

S2的轨道周期为15.56±0.35年，近星点约为120个天文单位，相当于太阳和海王星距离的四倍。欧洲南方天文台（ESO）从恒星光谱估计该恒星最初形成时的质量为太阳的14倍。

根据戴教授与合作者的论文，只要精确测定S2的加速度，就可以对虫洞进行间接观测。（前提是假设银河系中心黑洞通过一个虫洞与另一个黑洞相连，而且那个黑洞周围也有恒星绕着它公转。）

天文学家从1992年就开始对S2的轨道进行观测。根据2018年5月的观测结果，当时S2的轨道非常靠近人马座A*，两者距离大约为200亿千米（约120个天文单位），其轨道速度大约为7650 km/s（约为光速的2.55%）。

在地球上有两个研究小组分别使用凯克天文望远镜（Keck telescopes）和甚大望远镜（VLT）对S2进行了追踪观测。为了更精确地定位这个恒星，研究人员使用了最先进的自适应光学技术，这项技术能有效抵消由地球大气所造成的光线扭曲。

研究团队使用VLT的四台天文望远镜作为干涉仪，将收集到的光组合在一起，其分辨率相当于一台直径为130米的超级望远镜。这种干涉技术本质上与最近拍摄第一张黑洞照片的技术类似。

最后，通过这些技术，研究人员可以跟踪S2恒星在天空中的视路径，通过恒星的多普勒频移测量它朝向或远离地球的径向速度（又称视向速度）与加速度。最后，研究人员精确测定了S2恒星的加速度，其测量的精度达到了10-4 m/s2。

期待高分辨率测量

但是，这样的精度对观测虫洞来说是不够的。在这篇论文中，研究者指出，再经过几年的研究，天文学家可以将S2的轨道测得更精确。

戴德昌表示：“只有当我们对S2的轨道的测量精度达到10-6 m/s2时，我们才可以判断，银河系中心黑洞是不是通过一个虫洞与另一个黑洞连接的。”

因此，从目前的测量精度来看，我们对S2恒星的加速度的测量精度还不足观测到虫洞的物理效应，但随着测量精度的提高，未来并不是完全没有希望。无论虫洞能否用这种方式观测，这篇论文将虫洞的观测作为一个物理课题正式提了出来，这是思想上的巨大进步。

原始论文：

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.100.083513