對(duì)兩個(gè)黑洞合并的新觀測(cè)證實(shí)了阿爾伯特·愛因斯坦、斯蒂芬·霍金和新西蘭科學(xué)家羅伊·克爾幾十年前的預(yù)測(cè)的正確性

十年前，科學(xué)家們首次探測(cè)到來自兩顆黑洞相撞所產(chǎn)生的時(shí)空漣漪——即引力波。如今，在更精密的觀測(cè)設(shè)備與一點(diǎn)幸運(yùn)的幫助下，一次全新觀測(cè)到的黑洞合并事件，為我們迄今最清晰地揭示了黑洞的真實(shí)行為，并在此過程中驗(yàn)證了阿爾伯特·愛因斯坦與史蒂芬·霍金的關(guān)鍵理論預(yù)言。

最新的觀測(cè)結(jié)果來自激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO），由紐約市弗拉特艾恩研究所計(jì)算天體物理學(xué)中心的天體物理學(xué)家馬克西米利亞諾·伊西（Maximiliano Isi）與威爾·法爾（Will Farr）領(lǐng)銜分析。研究不僅揭示了黑洞的性質(zhì)與時(shí)空的基本結(jié)構(gòu)，還為量子物理與愛因斯坦的廣義相對(duì)論之間可能的交匯點(diǎn)提供了線索。

“這是迄今最清晰的黑洞本質(zhì)觀測(cè)?！蓖瑸楦鐐惐葋喆髮W(xué)助理教授的伊西說，“我們找到了迄今最有力的證據(jù)，證明天體物理中的黑洞與愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的黑洞相符?！?/p>

這項(xiàng)成果由LIGO–Virgo–KAGRA合作組織近期發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

黑洞和引力波

對(duì)于大質(zhì)量恒星來說，黑洞標(biāo)志著其生命周期的最后一步。它們的引力如此之大，甚至連光都無法逃脫。當(dāng)兩個(gè)黑洞碰撞時(shí)，它們會(huì)扭曲空間本身并產(chǎn)生引力波，向外穿過宇宙，類似于鐘聲被撞擊后響起的方式。

這些空間變形的漣漪，稱為引力波，可以告訴科學(xué)家很多關(guān)于創(chuàng)造它們的物體的信息。就像一個(gè)大的鐵鐘發(fā)出的聲音與一個(gè)小的鋁鐘發(fā)出的聲音不同一樣，黑洞合并發(fā)出的“聲音”是特定于所涉及黑洞的性質(zhì)的。

解釋對(duì)黑洞特性的新見解的信息圖

科學(xué)家利用美國的LIGO、意大利的Virgo以及日本的KAGRA等觀測(cè)臺(tái)來探測(cè)引力波。這些儀器通過精確測(cè)量激光在特定路徑上往返所需的時(shí)間來工作。當(dāng)引力波拉伸或壓縮時(shí)空時(shí)，儀器臂長(zhǎng)與光的傳播時(shí)間會(huì)發(fā)生極其微小的變化，科學(xué)家便可由此反推出黑洞的各種參數(shù)。

此次報(bào)告的引力波源自一次合并事件，最終形成了一個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于63個(gè)太陽、每秒自轉(zhuǎn)100次的黑洞。這一發(fā)現(xiàn)恰逢LIGO首次探測(cè)到黑洞并合的十周年。自2015年的那次劃時(shí)代觀測(cè)以來，儀器與技術(shù)的提升，讓科學(xué)家得以更清晰地“捕捉”這些震撼宇宙的事件。

“這對(duì)新觀測(cè)到的黑洞幾乎是2015年首例探測(cè)的‘雙胞胎’，”伊西說，“但儀器更先進(jìn)了，我們能夠以十年前無法做到的方式分析信號(hào)?！?/p>

借助這次新信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)得以完整捕捉到從兩顆黑洞初次劇烈碰撞到合并后新黑洞穩(wěn)定下來的全過程——這一切僅在毫秒間完成。

過去，黑洞最終“余振”的信號(hào)過于微弱，難以與碰撞瞬間的振鈴區(qū)分。而現(xiàn)在，科學(xué)家首次清晰地分辨出最終黑洞自身的“回響”。

破譯黑洞的“曙光”

2021年，伊西曾領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)研究，提出了一種分離特定頻率或“音調(diào)”的尖端方法，用于分析2015年那次黑洞合并的數(shù)據(jù)。那次嘗試雖顯示了方法的潛力，但當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)并不足以驗(yàn)證關(guān)于黑洞的一些關(guān)鍵預(yù)測(cè)。

借助這次更精確的測(cè)量，團(tuán)隊(duì)確認(rèn)自己成功分離出了最終穩(wěn)定下來的黑洞在短短毫秒內(nèi)發(fā)出的信號(hào)，從而能夠更明確地檢驗(yàn)黑洞的本質(zhì)。

“十毫秒聽起來很短，但我們的儀器已經(jīng)足夠精密，這段時(shí)間足以讓我們深入分析黑洞最終的‘鈴聲’?！币廖髡f，“這次探測(cè)讓我們得以極其細(xì)致地觀測(cè)黑洞并合前后整個(gè)信號(hào)過程?！?/p>

新信號(hào)中還捕捉到一個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的“次級(jí)音調(diào)”，提供了檢驗(yàn)著名的克爾（Kerr）解的機(jī)會(huì)。克爾解是廣義相對(duì)論中描述旋轉(zhuǎn)黑洞的經(jīng)典方程，只需質(zhì)量與自旋兩個(gè)參數(shù)。令人振奮的是，從這一“泛音”推算出的質(zhì)量與自旋數(shù)值與主音調(diào)完全一致。這意味著——至少對(duì)這個(gè)黑洞而言——只需質(zhì)量與自旋兩項(xiàng)特性即可完全描述它的狀態(tài)。

驗(yàn)證霍金面積定理

這些觀測(cè)同樣檢驗(yàn)了一個(gè)重要理論：史蒂芬·霍金提出的“面積定理”。該定理認(rèn)為，黑洞事件視界的面積——即連光都無法逃脫的邊界——只能保持不變或增加。要驗(yàn)證這一理論，需要在黑洞合并前后進(jìn)行極其精確的測(cè)量。

2015年LIGO首次探測(cè)到黑洞并合后，霍金曾提出是否可利用該信號(hào)驗(yàn)證自己的定理。當(dāng)時(shí)幾乎沒人認(rèn)為可行。

2019年，霍金去世一年后，隨著方法改進(jìn)，伊西與法爾團(tuán)隊(duì)首次給出了初步驗(yàn)證。如今，分辨率提升了四倍的新數(shù)據(jù)，讓科學(xué)家更有信心確認(rèn)霍金定理的正確性。

黑洞與時(shí)間之箭

確認(rèn)霍金定理的結(jié)果，也暗示著它與熱力學(xué)第二定律的關(guān)聯(lián)。第二定律指出，一個(gè)系統(tǒng)衡量“無序度”的量——熵——只能隨時(shí)間增加或保持不變。理解黑洞的熱力學(xué)行為，可能為包括量子引力在內(nèi)的其他物理領(lǐng)域帶來突破。

“黑洞事件視界的大小與熵的行為相似，這極為深刻。”伊西說，“它具有深遠(yuǎn)的理論意義，意味著我們可以借助黑洞的某些特性來數(shù)學(xué)化地探索時(shí)空的真正本質(zhì)?！?/p>

許多科學(xué)家預(yù)計(jì)，未來的黑洞并合探測(cè)將進(jìn)一步揭示這些神秘天體的奧秘。未來十年，探測(cè)器的靈敏度有望提升十倍，屆時(shí)將能對(duì)黑洞特性進(jìn)行更嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

“聆聽黑洞發(fā)出的‘音調(diào)’，是我們了解極端時(shí)空性質(zhì)的最佳途徑?！狈栒f，他同時(shí)是石溪大學(xué)教授?！半S著更多、更先進(jìn)的引力波探測(cè)器的建設(shè)，測(cè)量精度將持續(xù)提高?！?/p>

過去，這個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)期停留在純粹數(shù)學(xué)與理論推測(cè)階段，但現(xiàn)在我們真正親眼見證了這些驚人的宇宙過程，這充分展示了過去的進(jìn)步，也預(yù)示著未來將有更多突破。