最清晰的引力波信号，证实了霍金的著名定理 | 红杉爱科学

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GW250114，这串代码中的“GW”代表了时空的涟漪——引力波，而数字则记录下它抵达地球的日期：2025年1月14日。


这个引力波事件，与十年前LIGO（激光干涉引力波天文台）第一次探测到的引力波事件GW150914有着惊人的相似之处：它们都是来自约13亿光年之外的黑洞并合，且黑洞的质量也都在太阳质量的30到40倍之间。


不同的是，十年过去了。随着探测技术的飞跃进展——尤其是对仪器噪声的极大压制——GW250114的信号比当年的首次探测清晰得多。


研究人员在分析完GW250114信号后，得出了两个意义非凡的结论：它不仅证实了并合黑洞的性质与克尔（Kerr）黑洞的性质一致，还验证了霍金在半个世纪前提出的黑洞面积定理。

2015年9月14日，人类首次直接探测到双黑洞并合引力波事件GW150914，开启了引力波天文学的新纪元。十年来，LIGO、Virgo与KAGRA（LVK）通过抑制激光干涉仪中的经典与量子噪声，大幅提升了探测灵敏度，如今已能平均每三天观测到一次黑洞并合事件。迄今为止，LVK共探测到约300例黑洞并合，其中约220例是在最近一轮科学运行中发现的候选事件，数量超过前三轮总和的两倍。


在这一背景下，2025年1月14日到达地球的引力波事件GW250114成为十周年的里程碑发现。该信号与十年前的GW150914类似，来自两颗约30–40倍太阳质量的黑洞并合，距离地球约13亿光年。但得益于技术进步，GW250114信号比GW150914清晰三倍以上，信噪比高达80，使得我们得以前所未有地“听见”并合后的铃宕（Ringdown）。

“克尔黑洞”的本质


对于大质量恒星而言，黑洞是它们演化的最后阶段。黑洞有着极端的引力，以至于任何东西（包括光）一旦跨入它的事件视界，都将无法逃脱。


当宇宙中的两个黑洞并合时，新形成的黑洞不会立即静止，而是像被敲响的钟或鼓一样振动，并释放出一种独特的引力波“声音”——被称为“铃宕”。如果我们能够测量到一个或多个这样的声音，就可以检验黑洞是否是一个克尔黑洞——即爱因斯坦广义相对论所预测的，只由质量和自旋两个参数完全决定的旋转黑洞。

当两个黑洞相撞、并合时，会释放出引力波。地球上足够灵敏的探测器可以捕捉到引力波信号，从而解读出黑洞的质量和自旋。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）


我们可以用乐器来理解黑洞的声音。不同的乐器因为形状和材料不同，会发出截然不同的声音。此外，声音还取决于乐器受到扰动的方式：比如用鼓槌敲鼓和用刷子扫鼓，发出的声音也是不同的。


同样，克尔黑洞只能发出一组特定的“声音”，而这些声音的频率和持续时间仅由它的质量和自旋决定。扰动只会激发其中的一部分声音，但如果能测到多个声音，就可以相互对照，检验它们是否来自同一个克尔黑洞。


在这项新研究中，研究人员首次高置信度地确认：GW250114事件中并合形成的黑洞发出了至少两种预测中的声音，而且它们的频率与理论预期完全一致。研究人员不仅能识别出基频模式，还识别出一种更高频率、衰减更快的振动泛音，而基频和泛音的频率和衰减率都被发现与克尔度规的预测完美吻合——这提供了迄今为止最强有力的证据，证明自然界中的黑洞确实是爱因斯坦广义相对论所预测的、由两个参数决定的优雅天体。

在新研究中，从泛音计算出的质量和自旋，与基音计算出的质量和自旋完全一样。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）

霍金的面积定理


来自黑洞并合的引力波信号，也为检验黑洞面积定理（也被称为黑洞热力学第二定律）提供了机会。1971年，霍金提出了这个定理，其核心思想是：黑洞事件视界的总表面积，永远不会随着时间推移而减少。


当两个黑洞并合时，它们的质量会相加，从而会增大表面积。但与此同时，在并合过程中会释放引力波，带走一部分能量。另外，新形成的黑洞可能获得更高的自旋，而自旋越快，黑洞的表面积反而会相对减小。尽管存在这些相反的影响，但面积定理告诉我们：无论如何，黑洞的总表面积都必须增加。


后来，霍金和物理学家Jacob Bekenstein提出，黑洞的面积与它的熵（即无序程度）成正比。这一发现不仅加深了我们对黑洞的理解，也为未来探索量子引力理论——试图统一广义相对论和量子力学的理论——奠定了重要基础。


在这项研究中，科学家们通过精确分析并合后“铃宕阶段”的引力波信号，测量出新黑洞的质量和自旋，并据此计算出它的表面积。结果表明，最终黑洞的表面积确实比并合前两个黑洞的总和更大，与霍金半个世纪前的预测完全一致。

黑洞的表面积是由其事件视界定义的，并且与黑洞质量的平方成正比。比较并合前后的黑洞表面积，研究人员确认了表面积确实增加了，从而支持了霍金的理论。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）


GW250114并合后的黑洞面积确实大于两个初始黑洞面积之和——从约24万平方公里增加至约40万平方公里。如图所示，黑洞并合前后面积的分布完全落在“面积增加”的区域，与广义相对论预言的约65%增长高度一致。这不仅是对霍金定理的直接观测验证，更为研究黑洞熵与量子引力理论提供了坚实证据。

GW250114黑洞并合前后面积的统计分布。横轴为并合后面积Af与并合前面积Ai差的归一化比值。概率分布明显落在零点右侧（面积增加），并与广义相对论的理论预言高度符合，显示面积增加约65%。（图源：LVK 合作组）


事实上，这是第二次检验黑洞面积定理。第一次是在2021年，但由于当时的数据不够清晰，结果的置信度只有95%，但新结果的置信度达到了99.999%。

十年前，人类第一次“听见”了引力波，为我们观察宇宙打开了一扇全新的窗口。透过这扇窗口，我们已经收获了许多令人振奋的发现。而今天，借助不断精进的探测技术，我们听得更清晰、看得更深入。可以预见，真正属于引力波天文学的时代，才刚刚拉开帷幕。


#文章来源：
本文经授权转载自原理，有删减。
 
#参考来源：
https://www.ligo.caltech.edu/news/ligo20250910
https://ligo.org/science-summaries/GW250114_discovery/
https://physics.aps.org/articles/v18/160
 
#图片来源：
封面图&首图：Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI

神隐之左手

十年前听个响，如今听出黑洞交响乐

疯了吧

了不起

疯了吧

这些也可以看作科学也可以当作瞎扯，谁又能来证明呢？

神隐之左手

永远这种词在宇宙这里用的很不严谨的，都没探索完就敢说了？

wifai

黑洞说，科学的迷信，迷信的科学。