首次聽見黑洞的響聲！並再一次證明：愛因斯坦廣義相對論是對的

2020-08-28 科學之美

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當兩個黑洞相撞時，合併成一個更大的黑洞，並像敲響的鐘聲一樣響起，在時空中發出稱為引力波的漣漪，嵌入在這些引力波中的是特定的頻率或音調，它們類似於音樂和弦中的單個音符。現在，研究人員首次在一個新形成黑洞的「環流」中檢測到兩個這樣的音調。以前，人們假設只能測量一個音調，並且附加的音調，稱為泛音，將太微弱而無法用今天的技術檢測到。加州理工大學研究生馬修·吉斯勒(Matthew Giesler)說：以前，就好像你只用一根弦就能匹配吉他的和弦聲音。

Giesler是發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊上，這項新研究的第二作者，Giesler是提交給《物理評論X》一篇相關論文的主要作者，該研究論文介紹了用於尋找黑洞產生泛音的技術。這些結果是基於對美國國家科學基金會LIGO（雷射幹涉引力波天文臺）捕獲的數據進行重新分析得出，這一結果對阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論進行了一種新的檢驗。

因為合併黑洞經歷了破碎的引力，對這些事件的研究，能讓研究人員在極端條件下檢驗廣義相對論。在這個特殊案例中，科學家們測試了廣義相對論的一個具體預測：黑洞可以通過質量和自旋速率來完全描述，愛因斯坦的理論又一次通過了測試。加州理工學院理論天體物理學的羅賓遜教授、吉斯勒的顧問索爾·蒂科爾斯基(Saul Teukolsky，博士，73年)說：

這種測試早在第一次探測到之前就已經提出了，但很多科學家都認為探測器需要等很多年才能達到足夠的靈敏度。這一結果表明，我們可以開始使用今天的探測器開始進行測試，包括泛音，這是一個意想不到的令人興奮的結果。LIGO在2015年創造了歷史性的發現和證明，在愛因斯坦首次預測引力波100年後，它首次直接探測到了引力波。從那時起，LIGO和它的歐洲夥伴天文臺，室女座，已經探測到了近30個引力波事件，這些事件正在進一步分析中。這些引力波中的許多都是在兩個黑洞相撞時產生，在太空中發出抖動。

一個新的黑洞形成於劇烈的天體物理過程，因此處於動蕩狀態，然而，它很快以引力波的形式釋放出這些多餘的能量。作為吉斯勒研究生工作的一部分，他開始研究除了主信號或音調之外，是否還能在當前的引力波數據中檢測到泛音。儘管大多數科學家認為這些泛音太微弱了，專門研究了LIGO第一次探測到引力波的模擬，該模擬來自一次名為GW150914的黑洞合併事件。在合併的最後階段，也就是所謂的「振鈴」階段，新合併黑洞仍然在顫動。

研究發現，響亮但持續時間較短的泛音出現在比之前意識到的更早振鈴階段。康奈爾大學物理學教授的Teukolsky說：這是一個非常令人驚訝的結果，傳統的看法是，當殘留的黑洞安頓下來，任何音調都可以被探測到時，這些音調幾乎已經完全衰減了。相反，事實證明，在主音變得可見之前，泛音是可以檢測到的。新發現的泛音幫助研究人員測試黑洞「無毛」定理，除了質量或自旋之外，沒有其他特徵或「毛」。新結果證實了黑洞無毛，但科學家懷疑，未來對該理論的測試可能會顯示出不同情況。

在該理論中，更詳細的觀測結果被用來探測黑洞合併。如果存在量子效應，愛因斯坦的理論可能會崩潰。牛頓引力理論通過了許多引力弱的測試，但在描述引力最極端時，比如試圖描述合併黑洞時，完全失敗了。同樣，當我們最終以越來越高的精度探測來自黑洞的信號時，有可能有一天，即使是廣義相對論也有可能在測試中失效。在接下來的幾年裡，LIGO和室女座的升級計劃將使天文臺對引力波更加敏感，揭示出更多隱藏的色調。

加州理工大學物理學教授、LIGO實驗室成員艾倫·溫斯坦(Alan Weinstein)說：一個事件越大，聲音越大，LIGO就越有可能發現這些暗示。隨著LIGO首次探測到引力波，我們證實了廣義相對論的預測。現在，通過搜索被稱為高階模式的泛音，甚至更微弱的信號，科學家們正在尋找對該理論的更深層次測試，甚至是該理論崩潰的潛在證據。漸漸地，黑洞將揭開它們的奧秘，徹底改變我們對引力、空間和時間的理解。

博科園｜研究/來自：加州理工學院

參考期刊《arXiv》《物理評論快報》

Cite: arXiv:1903.08284

Cite: arXiv:1905.00869

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