兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波能夠穿越宇宙。圖片來(lái)源：Maggie Chiang

激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到兩個(gè)黑洞之間異常強(qiáng)烈的碰撞，從而驗(yàn)證了英國(guó)理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金在50多年前提出的黑洞面積定理。9月10日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》。

霍金1971年提出的定理認(rèn)為，兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的黑洞視界，即連光都無(wú)法逃脫控制的邊界，其面積不能小于兩個(gè)原始黑洞的面積之和。該定理與熱力學(xué)第二定律相呼應(yīng)，后者指出，熵或物體內(nèi)部的無(wú)序狀態(tài)永遠(yuǎn)不會(huì)減少。

黑洞合并扭曲了宇宙的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了被稱為引力波的微小時(shí)空波動(dòng)，這些波動(dòng)以光速穿越宇宙。目前地球上有5個(gè)引力波天文臺(tái)，包括美國(guó)的兩個(gè)LIGO探測(cè)器，以及意大利的Virgo探測(cè)器、日本的KAGRA和德國(guó)的GEO600，它們由一個(gè)名為L(zhǎng)IGO-Virgo-KAGRA（LVK）的國(guó)際合作組織運(yùn)營(yíng)。

最近的這次碰撞被命名為GW250114，與產(chǎn)生2015年首次觀測(cè)到的引力波的那次碰撞幾乎完全相同。這兩次碰撞的黑洞質(zhì)量都在太陽(yáng)質(zhì)量的30到40倍之間，且發(fā)生在13億光年之外。

這一次，升級(jí)后的LIGO探測(cè)器的靈敏度是2015年的3倍，因此能夠以前所未有的精度捕獲碰撞產(chǎn)生的引力波。研究人員通過計(jì)算證實(shí)黑洞合并后的視界面積確實(shí)變大了，從而驗(yàn)證了霍金的定理。

LVK團(tuán)隊(duì)成員、英國(guó)樸茨茅斯大學(xué)的Laura Nuttall表示，當(dāng)黑洞碰撞時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生像鐘聲一樣的引力波。以前，這些引力波消散得太快，無(wú)法清晰地觀察到進(jìn)而計(jì)算出碰撞前后視界的面積，而這正是檢驗(yàn)霍金理論所必需的。2021年對(duì)首次探測(cè)到的碰撞事件進(jìn)行的研究以95%的置信度支持了該理論，但新研究將置信度提高到令人信服的99.999%。

在科學(xué)家觀測(cè)引力波的10年里，他們已經(jīng)記錄了大約300次黑洞碰撞。但沒有一次像GW250114那樣如此清晰地捕獲引力波，它的信號(hào)是迄今探測(cè)到的其他引力波的兩倍。

當(dāng)GW250114的引力波到達(dá)地球時(shí)，只有LIGO在運(yùn)行，而LVK合作組織監(jiān)控的其他探測(cè)器都沒有運(yùn)行。但這并不影響檢驗(yàn)霍金理論，只是意味著研究人員無(wú)法確定這些引力波在宇宙中的起源。

LVK團(tuán)隊(duì)成員、樸茨茅斯大學(xué)的Ian Harry表示，LIGO和其他計(jì)劃中的天文臺(tái)的升級(jí)版將在未來(lái)上線，這將帶來(lái)更高的靈敏度，使他們能夠更深入地研究黑洞物理學(xué)。“我們可能無(wú)法捕捉所有信號(hào)，但還會(huì)再次遇到這樣的事件。下一輪升級(jí)也許在2028年，我們會(huì)看到類似事件，也許那時(shí)的靈敏度將達(dá)到我們可以真正進(jìn)行深入探究的程度?！?/p>

這些發(fā)現(xiàn)為量子引力研究開辟了新道路，物理學(xué)家希望通過量子引力統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子物理學(xué)。Nuttall說(shuō)，最新結(jié)果表明，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)能夠繼續(xù)很好地協(xié)同工作，但未來(lái)預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)一些差異。

來(lái)自LVK的最新數(shù)據(jù)還使科學(xué)家能夠證實(shí)數(shù)學(xué)家Roy Kerr在20世紀(jì)60年代提出的方程，該方程預(yù)測(cè)黑洞僅能通過兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征：質(zhì)量和自旋。本質(zhì)上，兩個(gè)具有相同質(zhì)量和自旋的黑洞在數(shù)學(xué)上是相同的。對(duì)GW250114的觀測(cè)顯示，這是真的。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》

編輯：任斐

審核：管林忠

終審：韓俊亮