現代宇宙學的基石——宇宙學原則(Cosmological Principle)——指出,當以巨觀尺度觀察時,宇宙是各向同性且均勻的。也就是說,宇宙中的任何觀察者無論身處何地或朝何方向觀察,都會看到大致相同的結構。因此,宇宙不應該偏好順時針或逆時針旋轉的現象,這種特性被稱為「鏡像對稱性」。
黑洞旋轉量與其鏡像對稱的插圖,顯示具有鏡像對稱性的事件。來源:加利西亞高能物理研究所(IGFAE)
愛因斯坦的廣義相對論預測,大質量天體會產生扭曲時空的重力波輻射,重力波主要由宇宙中劇烈的事件產生,例如超新星爆發、黑洞合併或大霹靂本身。與電磁波類似,重力波具有偏振的特性,可以是右旋或左旋。某些黑洞合併事件(特別是軌道平面具有進動的系統)會產生非對稱的偏振模式,導致鏡像不對稱的現象。
一篇發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的文章研究由LIGO和Virgo檢測到的黑洞合併所釋放的重力波來檢驗宇宙是否存在鏡像不對稱性。研究團隊使用了一種基於Chern-Pontryagin假標量的新觀測方法以量化時空中的鏡像不對稱性,如果其值為零,表示時空是鏡像對稱的;如果非零,則顯示存在不對稱性。團隊分析了47次黑洞合併事件,結果顯示這些事件的重力波淨圓偏振值平均為接近零的數值,這表明在統計上宇宙仍然符合鏡像對稱性。然而令人驚訝的是,至少82%的黑洞合併事件顯示了非零的淨圓偏振值。這些現象通常與黑洞系統的軌道進動有關,而這種進動是由黑洞自旋方向與軌道角動量的不對齊所導致。
在這些事件中,GW200129尤其特殊,因為它是唯一被確認打破鏡像對稱性的黑洞合併事件。GW200129表現出顯著的進動軌道,其圓偏振性明顯高於其他事件。即使在相似的進動條件下,GW200129的鏡像不對稱性仍然相當明顯,這代表它屬於獨特的進動黑洞類型。像GW200129這樣的鏡像不對稱黑洞合併可能透過量子效應導致偏振光子的自發生成,進而對宇宙微波背景和哈伯常數的測量產生影響,這種量子效應的存在進一步揭示了宇宙中潛在的鏡像不對稱性。該研究成果與其他獨立團隊近期發表的研究相符合,另一組專注於粒子物理學的研究團隊指出,黑洞合併的鏡像不對稱性類似於粒子物理中「宇稱對稱性測試」的重力波版本,並與著名的吳健雄實驗對比,揭示宇宙的潛在不對稱性。
(上圖)在這個情境下,成對的黑洞在鏡像變換下保持不變。兩顆黑洞的自旋向量分別標註為 1 和 2。由於時空的鏡像對稱性,Chern-Pontryagin不變量為零,表示沒有觀察到任何不對稱或對稱性偏差。(下圖)在這裡,成對的黑洞無法在鏡像變換下保持不變。由於兩顆黑洞自旋向量的錯位,破壞了時空的鏡像對稱性,導致Chern-Pontryagin不變量不為零,這表明系統呈現不對稱性,可能會影響黑洞對的物理特性。來源:Leong et al.(2025)
整體而言,儘管許多黑洞合併事件在局部層面上顯示出鏡像不對稱性,但這些效應在統計中互相抵消,使得整體結果仍符合宇宙學原則。未來的重力波探測技術,例如Cosmic Explorer重力波天文台和愛因斯坦望遠鏡(Einstein Telescope, ET),將顯著提升對黑洞進動的探測能力,並可能發現更多類似GW200129的特殊事件。這些進展不僅將進一步驗證鏡像對稱性是否在更大尺度上成立,也可能解答有關宇宙結構和黑洞形成的未解之謎,為理解宇宙的基本性質提供新的視角。
資料來源:Phys.org
本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。