摘要：十年前，科学家首次探测到由两个黑洞碰撞产生的时空涟漪，即引力波。如今，得益于技术的进步和一些运气，新探测到的黑洞合并事件提供了迄今为止最清晰的黑洞运作方式证据，并在此过程中，证实了阿尔伯特·爱因斯坦和斯蒂芬·霍金长期以来寻求的基本预言。

西蒙斯基金会

十年前，科学家首次探测到由两个黑洞碰撞产生的时空涟漪，即引力波。如今，得益于技术的进步和一些运气，新探测到的黑洞合并事件提供了迄今为止最清晰的黑洞运作方式证据，并在此过程中，证实了阿尔伯特·爱因斯坦和斯蒂芬·霍金长期以来寻求的基本预言。

这项新的测量由激光干涉引力波天文台（LIGO）进行，并由纽约市Flatiron研究所计算天体物理中心的天体物理学家Maximiliano Isi和Will Farr领导分析。结果揭示了黑洞的性质和时空的基本本质，并暗示了量子物理学和爱因斯坦广义相对论是如何相互契合的。

“这是迄今为止对黑洞本质最清晰的认识，”哥伦比亚大学助理教授伊西说道。“我们发现了迄今为止最有力的证据，证明天体物理黑洞就是爱因斯坦广义相对论所预测的黑洞。”

该研究结果发表在9 月 10 日由 LIGO-Virgo-KAGRA 合作组织在《物理评论快报》上发表的一篇论文中。

对于大质量恒星来说，黑洞是其演化的最终阶段。黑洞密度极高，甚至连光都无法逃脱其引力。当两个黑洞相撞时，空间本身会扭曲，在时空中形成涟漪，并在整个宇宙中散开，就像钟声被敲响时发出的声波一样。

这些使空间变形的涟漪被称为引力波，它们可以告诉科学家很多关于产生它们的物体的信息。就像一个大铁钟和一个小铝钟发出的声音不同一样，黑洞合并发出的“声音”也与所涉及的黑洞的性质有关。

科学家可以利用美国 LIGO、意大利 Virgo 和日本 KAGRA 等天文台上的特殊仪器探测引力波。这些仪器可以精确测量激光沿特定路径传播所需的时间。

随着引力波拉伸和压缩时空，仪器的长度，以及光的传播时间，会发生微小的变化。通过高精度测量这些微小的变化，科学家可以利用它们来确定黑洞的特征。

最新报告的引力波被发现是由一次合并事件产生的，该合并事件形成了一个质量相当于63个太阳、转速为每秒100转的黑洞。这一发现是在激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到黑洞合并事件10年后得出的。自那次里程碑式的发现以来，设备和技术的进步使科学家们能够更清晰地观察这些震撼空间的事件。

“这对新发现的黑洞几乎与2015年首次发现的历史性黑洞如出一辙，”伊西说道，“但仪器更加先进，因此我们能够以十年前不可能实现的方式分析信号。”

利用这些新信号，伊西和他的同事可以全面观察这次碰撞，从黑洞第一次相互撞击的那一刻起，直到合并后的黑洞稳定下来进入新状态的最后回响，而这发生在第一次接触后仅几毫秒内。

此前，最终的回响很难捕捉，因为到那时，黑洞的响声已经非常微弱。因此，科学家无法将碰撞产生的响声与最终黑洞本身的响声区分开来。

2021年，伊西领导了一项研究，展示了他与法尔等人开发的一种尖端方法，利用2015年黑洞合并的数据，分离出某些频率（或称“音调”）。这种方法被证明非常有效，但2015年的测量结果不够清晰，不足以证实关于黑洞的关键预测。

然而，有了新的、更精确的测量结果，伊西和他的同事们更加确信，他们已经成功分离出最终稳定下来的黑洞的毫秒级信号。这使得对黑洞性质进行更明确的测试成为可能。

“十毫秒听起来真的很短，但现在我们的仪器已经改进了很多，这段时间足够我们真正分析最终黑洞的振铃，”伊西说。“通过这项新的探测，我们可以对黑洞合并前后的信号进行极其细致的观察。”

这些新的观测结果使科学家们能够检验几十年前提出的一个关键猜想：黑洞本质上是简单的物体。1963年，物理学家罗伊·克尔利用爱因斯坦的广义相对论，用一个方程对黑洞进行了数学描述。

该方程表明，天体物理黑洞仅用两个特征就能描述：自旋和质量。借助新的更高质量的数据，科学家们能够比以往更精确地测量合并黑洞的振铃频率和持续时间。这使得他们能够发现，合并黑洞实际上是一个简单的物体，仅用其质量和自旋来描述。

这些观测结果还用于检验斯蒂芬·霍金提出的一项基础理论——霍金面积定理。该定理指出，黑洞事件视界（任何物体，甚至光，都无法返回的界线）的尺寸只会不断增大。要检验该定理是否适用，需要对黑洞合并前后进行特殊测量。

2015年首次探测到黑洞合并后，霍金开始思考合并信号是否可以用来验证他的定理。当时，没有人认为这是可能的。

到2019年，也就是霍金去世一年后，方法已经得到了足够的改进，利用伊西、法尔及其同事开发的技术首次得到了初步验证。新数据的分辨率提高了四倍，让科学家们更加确信霍金定理的正确性。

在证实霍金定理的同时，这些结果也暗示了与热力学第二定律的联系。该定律指出，衡量系统无序性的属性，即熵，必须随着时间的推移而增加，或至少保持不变。理解黑洞的热力学可能会促进其他物理学领域的发展，包括量子引力，其旨在将广义相对论与量子物理学融合。

“黑洞事件视界的大小表现得像熵，这真的意义深远，”伊西说。“它具有非常深刻的理论含义，意味着黑洞的某些方面可以用来从数学上探索空间和时间的真实本质。”

许多人猜测，未来的黑洞合并探测将会揭示更多关于这些天体本质的信息。未来十年，探测器的灵敏度预计将比现在高出10倍，从而能够对黑洞特性进行更严格的测试。

“聆听这些黑洞发出的声音是我们了解它们产生的极端时空特性的最大希望，”同时也是石溪大学教授的法尔说道。“随着我们建造更多更好的引力波探测器，精度将不断提高。”

“长期以来，这个领域一直只是纯粹的数学和理论推测，”伊西说。“但现在我们能够亲眼目睹这些令人惊叹的过程，这凸显了该领域已经取得了——并将继续取得——的巨大进步。”

来源：老郑讲科学