引力波發(fā)現(xiàn)十周年記：黑洞測量的里程碑

北京大學(xué) 徐仁新 編譯自 Chiara M F Mingarelli.

Physic

本文選自《物理》2025年第11期

引力波天文學(xué)進(jìn)展驚人。在十年前，引力波直接探測還是遙不可及的——那時(shí)總在調(diào)侃距離成功“還有五到十年”。2015年迎來突破：首次觀測到雙黑洞并合事件GW150914。此后觀測變得常態(tài)化，至今已記錄了數(shù)百例雙黑洞并合事件；甚至有證據(jù)表明存在納赫茲頻率的引力波背景，其波源很可能是星系中心超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)。今年初，LIGO捕獲到了迄今最清晰的并合信號(hào)GW250114。基于這一信號(hào)，LIGO-Virgo-KAGRA(LVK)合作組得出結(jié)論：(1)并合前后天體的性質(zhì)跟旋轉(zhuǎn)克爾黑洞一致；(2)驗(yàn)證了1971年霍金提出的面積定理——黑洞視界的總面積不會(huì)減少。這些成果具有里程碑意義。

LIGO探測器捕獲的引力波信號(hào)示意圖。這里展示了雙黑洞并合的各個(gè)階段，從起初的旋近到殘骸的鈴宕。憑借有史以來獲得的最高信噪比，LVK合作組能夠甄別鈴宕階段的基模和第一高階模

目前全球有三座公里級(jí)干涉儀探測引力波：美國LIGO、意大利Virgo和日本KAGRA。這個(gè)新的事件發(fā)生于2025年1月14日，在LIGO的兩臺(tái)探測器中產(chǎn)生了清晰的信號(hào)。不過Virgo和KAGRA那時(shí)未采集數(shù)據(jù)。在距離、黑洞質(zhì)量及應(yīng)變(引力波經(jīng)過探測器時(shí)導(dǎo)致的空間拉伸或壓縮)等方面，該事件跟首次探測到的雙黑洞并合事件GW150914都類似。兩次應(yīng)變幅度都極其微小，僅10-21量級(jí)，相當(dāng)于一米和銀河系直徑之比。然而，得益于探測靈敏度的顯著提升，信噪比卻從2015年的26提升至現(xiàn)在的80，性能改進(jìn)了三倍多。作為迄今最清晰的雙黑洞并合信號(hào)，GW250114使得LVK合作組能夠更好地檢驗(yàn)與強(qiáng)引力場和黑洞相關(guān)的理論。

兩黑洞剛并合后，其新生殘骸并非穩(wěn)態(tài)而是像被擊打的鐘鈴那般振蕩。處于這個(gè)“鈴宕”相的黑洞也輻射引力波，其特征僅依賴于兩個(gè)參數(shù)：質(zhì)量和自旋。早有預(yù)言，鈴宕信號(hào)由一組“準(zhǔn)正模”構(gòu)成：其中基模壽命最長，較低頻的高階模則衰減較快(見圖)。一言以蔽之，這些多模振蕩就像撥動(dòng)琴弦產(chǎn)生的諧振。若測得一個(gè)或多個(gè)高階模，人們便可驗(yàn)證殘骸是否真的就是廣義相對(duì)論預(yù)言的旋轉(zhuǎn)克爾黑洞。

并合事件還為檢驗(yàn)黑洞熱力學(xué)提供了契機(jī)(涉及量子引力、量子力學(xué)及熱力學(xué)等方面)，其中第二定律即霍金的面積定理：黑洞視界總面積不會(huì)隨時(shí)間減少(當(dāng)然要短于蒸發(fā)時(shí)標(biāo))。通過并合前后分段測量引力波即可檢驗(yàn)面積定理。從并合前的旋近信號(hào)中可獲取兩黑洞的質(zhì)量和自旋，而鈴宕階段可以獲取并合后殘余黑洞的質(zhì)量和自旋。通過數(shù)據(jù)分析，將黑洞質(zhì)量和自旋換算成面積后，即可驗(yàn)證殘留黑洞面積是否大于初始黑洞面積之和。

觀測檢驗(yàn)霍金面積定理并不新鮮，首次嘗試發(fā)表于2021年。通過重新分析GW150914的數(shù)據(jù)，有人聲稱可能測得了第一高階模，但這一結(jié)論引發(fā)了數(shù)據(jù)分析可靠性的多年?duì)幷摬⑾萑虢┚帧Ｈ缃瘢旁氡葮O高的GW250114信號(hào)可成功識(shí)別基模和第一高階模，消除了疑云。通過并合前后信號(hào)的獨(dú)立分析(舍棄此間較難處理的數(shù)據(jù))，研究人員給出了初始與最終黑洞的面積，發(fā)現(xiàn)GW250114事件以極高置信度符合霍金面積定律。

該結(jié)果意義深遠(yuǎn)。首先，它彌補(bǔ)了提取高階模信號(hào)的潛在漏洞：只要信噪比足夠高，高階模的存在就很顯著，明確排除擬合時(shí)的人為干擾。其次，避免利用并合后的結(jié)論來解釋并合前行為這一循環(huán)論證，強(qiáng)化了黑洞熱力學(xué)檢驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。就GW250114而言，旋近階段的數(shù)據(jù)用于確定兩初始黑洞的面積，而鈴宕階段數(shù)據(jù)僅用于確定殘留黑洞的面積。這一次，通過兩階段的獨(dú)立分析實(shí)現(xiàn)了面積定律的真正檢驗(yàn)。

GW250114為整個(gè)研究領(lǐng)域樹立了新標(biāo)桿：從搜尋雙黑洞并合事件發(fā)展至引力理論的精確檢驗(yàn)。未來地面引力波探測將升級(jí)設(shè)備，并在十年內(nèi)安排兩輪觀測，探測樣本將會(huì)不斷擴(kuò)大。讓我們見證下一個(gè)突破！

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