爱因斯坦再次被证明是正确的：时空涟漪确认百年前理论

当两个黑洞碰撞并合并时，会释放引力波。这些波可被地球上的精密仪器探测到，使科学家得以测定黑洞的质量和自旋。迄今最清晰的黑洞合并信号GW250114由LIGO于2025年1月记录，为这些神秘天体提供了全新认知。图片来源：西蒙斯基金会/Maggie Chiang

本次观测来自激光干涉引力波天文台（LIGO），纽约市弗拉特铁研究所计算天体物理中心的Maximiliano Isi和Will Farr领导了相关分析。研究揭示了黑洞特性和时空结构的本质，暗示爱因斯坦广义相对论与量子物理之间可能的联结点。

“这是有史以来最清晰的黑洞属性图景，”Isi表示，“我们获得了迄今最有力的证据，证实了天体黑洞正如爱因斯坦广义相对论所预言的那样。”

相关成果近日已在LIGO-Virgo-KAGRA合作组织撰写的物理学顶级杂志上发表。

黑洞与引力波

恒星在生命周期终点会形成黑洞，其引力强大到连光都无法逃脱。当两颗黑洞碰撞时，会令空间发生剧烈扭曲，产生向宇宙扩散的引力波，类似钟被撞击后发出的回响。

这些被称为引力波的空间涟漪，能让科学家探知制造它们的天体信息。有如大小不同的钟会发出不同声音，黑洞合并的“回响”也与相关黑洞的参数密切关联。

科学家利用LIGO（美国）、Virgo（意大利）、KAGRA（日本）等天文台的特殊仪器，精准测量激光在特定路径上的行进时间。当引力波拉伸或压缩时空，路径长度和光程时间会发生极其微小的变化。科学家通过高精度测量，就能推算出黑洞的特性。

此次记录的引力波由一对黑洞合并产生，最终形成质量相当于63个太阳、每秒旋转100次的新黑洞。这一发现距离LIGO首次检测到黑洞合并已经过去十年。技术设备的改进让科学家能够看得更清楚。

“新发现的这对黑洞几乎和2015年历史性首例非常相似，”Isi说，“但仪器提升使我们能以新方式深入分析信号，这是十年前难以做到的。”

凭借这些新信号，团队得以完整观测从黑洞首次碰撞到最终合并成新黑洞并趋于稳定的全部过程，仅在首触后的毫秒内发生。此前，合并后新黑洞的微弱回响很难分辨，科学家无法将碰撞的回响与最终黑洞本身的回响区分开来。

揭示黑洞“鸣响”

2021年，Isi曾领衔一项研究，展示了用前沿方法分离不同频率——“音调”的技术，这一技术最早用于2015年黑洞合并的观测数据。虽然当时的方法非常有效，但数据还不够明确，无法完全确认有关黑洞的关键预测。新观测数据精度大幅提升后，团队有信心成功分离出新黑洞在趋于稳定时的毫秒级信号，可以更清晰地验证黑洞性质。

“十毫秒听起来很短，但我们的仪器已先进到足以详细分析黑洞最终回响，”Isi表示，“这次探测让我们对黑洞合并前后的信号获得了近乎细致入微的视角。”

在最近的引力波数据中，科学家分离出了一个瞬间出现的辅助音调，为检验克尔解（只用质量和自旋描述自转黑洞的数学模型）提供了罕见机会。令人振奋的是，辅助音调的质量和自旋与基本音调一致。如果不一致，就意味着描述黑洞需要其他参数；而现在的吻合证实——至少对于这个黑洞来说——仅凭质量和自旋即可描述。

新观测帮助科学家测试了几十年前提出的关键假说：黑洞本质上是简单的天体。1963年，罗伊·克尔用广义相对论给黑洞建模，显示天体黑洞只需两个参数：自旋和质量。凭借高质量数据，科学家可以更精确地测量新黑洞合并后的“鸣响”频率和持续时间，从而证实该黑洞确实只需这两个参数即可描述。

此外，本次观测也用于检验霍金提出的“面积定理”。该定理认为黑洞视界（即无法返回的界线）面积只能越来越大。要验证这一定理，需要极高质量的数据同时观测合并前后黑洞的状况。2015年首例黑洞合并发现后，霍金曾设想用这类信号来验证自己的理论，但彼时科学界尚无对应技术。

到2019年，霍金去世一年后，Isi、Farr等人开发的新方法实现了首次初步确认。如今信号分辨率提升至四倍，科学家更有信心断言霍金理论无误。

黑洞与时间之箭

验证霍金面积定理，实际上也与热力学第二定律相关。后者指出，系统的熵（表示无序程度的量）只能增加或保持不变。理解黑洞热力学可能推动其他物理领域的发展，包括融合广义相对论和量子物理的量子引力理论。

“黑洞视界的面积和熵一样，这个规律极其深刻，”Isi称，“这意味着黑洞的一些属性可以用于数学层面探测时空的本质。”

许多科学家猜测，未来检测到的黑洞合并现象将不断揭示这些天体的更多秘密。预计在下一个十年内，相关探测器将比今天灵敏度提升十倍，能够更严密地检验黑洞属性。

“聆听这些黑洞发出的音调，是我们了解极端时空性质的最佳途径，”Farr指出，“而随着引力波探测器不断升级，精度也会进一步提升。”

“这个领域长久以来都仅限于数学与理论设想，”Isi说，“如今我们终于能亲眼见证这些惊人的过程，这不仅彰显了学科的巨大进步，而且预示着未来还会有更大的突破。”

编译自/ScitechDaily