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黑洞面积不变!霍金的著名定理被证实!

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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。


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

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