研究表明负质量双星会产生前所未有的引力辐射

研究人员发现，由负质量物体组成的双星系统会产生宇宙中前所未有的引力辐射信号。这项由研究机构合作开发的新研究提出，引力波观测站可以探测这些来源，并对自然界中负质量的存在建立严格的限制。

由阿尔伯特·爱因斯坦提出的广义相对论在数学上允许负质量物体的存在。尽管存在这种理论上的可能性，但基本问题仍然悬而未决：这样的质量在现实中可以建造吗？新发表的作品提供了一种观测策略，通过检测引力辐射的特定模式来回答这个问题。

三个质量类别定义了对象的行为

物理学将质量分为三个不同的类别，这三个类别决定了物体如何与重力和场相互作用。惯性质量表示物体受到力作用时对加速度的抵抗力。主动引力质量描述了物体产生影响其周围其他物体的引力场的能力。被动引力质量反过来又量化了物体如何响应空间中其他物体产生的引力场。

线性动量守恒定律要求主动和被动引力质量相同。如果它们不同，一个物体在引力相互作用过程中获得的动量将不会被另一个物体失去的动量所补偿，这就违反了物理定律中对称的基本原理。这种限制直接源于空间平移不变性，即当系统改变空间位置时物理定律保持不变的性质。

等效原理将引力现象与惯性现象联系起来

等效原理构成了爱因斯坦广义相对论的基础。它假设物体的惯性质量等于其被动引力质量。这一命题基于几个世纪以来的实验观察，从伽利略·伽利雷的工作到当代研究，所有这些都证明具有不同质量的物体在重力的影响下加速相同，无论其成分或质量大小如何。

当研究人员讨论具有负质量的假设物体时，他们通常假设线性动量守恒和等效原理仍然有效。这个假设意味着负质量的三种形式的质量也将是相同的。然而，等效原理仅针对正质量进行了实验验证。对于负质量，这种对称性可能无法维持，从而开辟新的物理场景。

偶极辐射从具有不等引力质量的系统中出现

最近发表的这篇与著名研究人员合作开发的文章表明，包含两个引力质量和惯性质量比率不同的物体的双星系统会发射偶极引力辐射。这种模式与四极引力辐射有根本的不同，四极引力辐射是迄今为止 LIGO、Virgo 和 KAGRA 引力波探测器在所有探测中所观察到的类型。

物理情况类似于具有正惯性质量的相反符号的电荷系统。迄今为止，天文台尚未记录到偶极引力辐射的证据。这些仪器对可能的偶极辐射发射施加的观测限制极其严格，严重限制了此类系统可能表现出的特性。

即使在宇宙只包含严格遵守等效原理的负质量的情况下，涉及这些质量的双星系统也会产生与目前已知的完全不同的引力波特征：

• 总质量为负的系统会在组件之间产生排斥力，从而无法形成稳定且持久的双星轨道
• 总质量为正的系统，其中负质量的大小低于正质量，允许圆形轨道，但通过膨胀而不是收缩来演化，产生频率递减的反线性调频信号
• 总质量为零的系统对应于物理上不受控制的解决方案，其中一对加速到光速，排除了周期性轨道运动

反鸣音将扭转已知的合并特征

传统双星系统与包含负质量的双星系统之间的行为根本区别在于轨道的能量演化。在具有两个正质量的传统双星系统中，轨道能量一开始为负，并且随着间隔的减小而逐渐变得更负。当系统通过引力波的发射而损失能量时，这种损失会驱动系统走向螺旋化，逐渐持续地增加频率。

相反，在总质量为正的正负系统中，轨道能量从正值开始，并随着分离的增加而向零减小。由于引力波的发射而导致的相同能量损失会导致系统膨胀而不是收缩。这一特性会产生反线性调频信号，其中频率逐渐降低而不是增加，这与 LIGO-Virgo-KAGRA 联盟迄今为止检测到的所有源中观察到的模式完全相反。

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当前引力波目录中反线性调频信号的缺失，对可观测宇宙中涉及负质量的双星系统的潜在种群提供了直接的观测限制，将其普遍性限制在极低的水平（如果它们存在的话）。

最近的发现重新引发了有关负质量丰度的问题

近几个月来，两份科学出版物表明，宇宙中可能存在大量具有负质量的物体。这些提议重振了几十年前开始的讨论。 1957 年，物理学家赫尔曼·邦迪 (Herman Bondi) 发表了一篇具有开创性意义的著作，证明广义相对论从数学角度严格允许负质量的存在。

后来，在 2015 年，罗伯特·福沃德 (Robert Forward) 提出了详细的分析，展示了原则上如何将负质量用于推进系统，而不需要化学或常规燃料。尽管进行了这些理论探索，关键问题仍然悬而未决：负质量能否在实验室中构建和维持，或者在宇宙中自然存在？

负质量的存在将对基础物理学产生深远且令人不安的后果。这些物体可以作为工程时间机器的构建块，违反因果关系原则。仅这一含义就表明，如果负质量存在，它一定受到迄今为止未知的保存宇宙因果结构的机制的约束。

引力波天体物理学没有揭示出意外的来源

从 2015 年历史性的探测开始，近十年的引力波观测已经产生了一个可靠的事件目录。然而，所有检测到的来源都属于预测类别：黑洞合并和中子星碰撞。这个新的观测前沿并没有出现完全出乎意料的来源。

这一结果与整个天文学史形成鲜明对比。每当天文学家在新的电磁波谱波段建立观测站时，他们就会发现完全意想不到的现象。射电望远镜揭示了宇宙微波背景辐射、复杂的星际分子和快速射电爆发。 X 射线望远镜发现了吸积黑洞、X 射线背景辐射和高能星系团。伽马射线望远镜已经识别出伽马射线爆发、伽马射线脉冲星和宇宙伽马射线背景辐射。

引力波方面缺乏全新的发现，这明显背离了通过新的观测能力不断揭示未知现象的科学传统。

负质量系统作为新的观测目标

最近完成的工作提供了一个具体的建议：包含负质量成员的双星系统将产生引力波信号，其特性与观测到的任何信号都截然不同。这些系统构成了运营和未来引力波观测站的可行新目标。

其影响是双重的。首先，如果宇宙中确实大量存在负质量，这样的天文台就有可能发现这些来源。其次，通过不检测这些独特的特征，探测器可以对整个宇宙结构中的负质量丰度建立有史以来最严格的观测限制，从而极大地完善我们对宇宙基本组成的理解。