黑洞面积不变！霍金的著名定理被证实！

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。

LIGO的Hanford探测器记录的引力波信号。上图显示了10年前首次探测到的引力波事件GW150914，下图则是在2025年捕获的GW250114。图中紫色的线表示的是观测到的数据，包含了两个部分：引力波信号和探测器的背景噪声。这些噪声有多种来源，比如会让LIGO内的巨大镜子抖动的地震活动。绿色曲线则表示了基于广义相对论的最佳拟合预测，即理论上我们期望看到的引力波信号。从图中可以看到，最新的观测噪声大幅降低，这得益于LIGO探测器的一系列尖端改进，它们有效地压制了各种不需要的噪声。（图/LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC)）

在一项刚发表于《物理评论快报》的研究中，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。

旋转的黑洞

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”。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（比如钟、鼓、吉他）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。这一结果有力地证明了，最终形成的黑洞确实是一个简单的克尔黑洞。

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。但与其同时，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。

之后后来，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）

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%。

引力波天文学的时代

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。

#创作团队：

撰文：不二北斗

#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