" class="auto-inserted-featured-image wp-post-image" alt="具有里程碑意义的黑洞测试 标志引力波发现十周年" decoding="async" loading="lazy" srcset=" 1000w, 300w, 768w" sizes="auto, (max-width: 1000px) 100vw, 1000px" />
引力波天文学正以极快的速度发展。就在十多年前，直接探测引力波还被认为是一个难以实现的目标，一直都说 “还需五到十年”。然后在2015年取得突破：首次观测到两个黑洞合并，即GW150914。此后，黑洞合并探测已成为常规操作，目前黑洞合并目录数量已达数百个。甚至有证据表明存在纳赫兹频率的引力波背景，很可能源自宇宙中大量超大质量黑洞双星。现在，LIGO探测器捕获了有史以来最清晰的合并信号GW250114。LIGO – Virgo – KAGRA（LVK）合作团队从这个信号中得出两个惊人结论。第一，证实合并天体的性质与克尔（旋转）黑洞相符。第二，令人信服地验证了斯蒂芬·霍金1971年提出的面积定理，该定理断言黑洞视界的总面积不会随时间减少。这些结果是里程碑，表明引力波观测如今能够探究一些最基本的自然定律。
如今，三个基于千米级干涉仪的运行探测器能够探测引力波：美国的LIGO、意大利的Virgo和日本的KAGRA。今年1月14日发生的新探测事件GW250114，在两个LIGO探测器处于稳定 “科学模式” 长时间高灵敏度收集数据时清晰响起（当时Virgo和KAGRA未采集数据）。此次合并在距离地球的远近、合并黑洞的质量以及应变方面，与首次探测的GW150914类似，应变极小（10⁻²¹），约为1米除以银河系直径。但由于探测器灵敏度的显著提升，信噪比从26提高到80，2015年到2025年探测有三倍提升。GW250114是迄今观测到最清晰的合并信号，使LVK合作团队能够拓展强场引力和黑洞理论测试的前沿。
当两个黑洞碰撞时，新形成的残骸并非静止，而是像被敲响的钟一样振动。在这个 “铃宕” 阶段，黑洞发出的引力波信号仅编码两个参数信息：残骸的质量和自旋。铃宕信号预计由一组 “准正则模” 组成。频率最低的模式是寿命长的基模。频率较高处是衰减更快的泛音，大致相当于拨弦的高次谐波。如果信号包含一个或多个泛音，研究人员可以检验残骸是否是真正的克尔黑洞，即广义相对论预测的旋转黑洞。
合并信号也提供了测试被称为黑洞力学定律的基本原理的机会，这些定律可能包含引力量子性质以及量子力学与经典热力学关系的线索。其中第二条定律由斯蒂芬·霍金提出，即面积定理，断言黑洞事件视界的总面积不会随时间减少（至少在比黑洞蒸发时间尺度短的时间内，黑洞蒸发时间预计超过宇宙年龄）。引力波使我们能够通过分别从旋进（合并前）信号测量两个合并黑洞的质量和自旋，从铃宕（合并后）信号测量残骸的质量和自旋，来测试面积定律。通过数据分析，研究人员可以将黑洞的质量和自旋转换为面积，并检查最终黑洞面积是否超过初始黑洞面积之和。
此前就有尝试利用引力波信号进行类似测试。实际上，2021年就发表了首次验证霍金面积定理的声明。结果基于对GW150914数据的重新分析，得出信号可能包含基模的第一泛音。这一声明引发多年关于基础数据分析可靠性的反复讨论，使该领域陷入僵局。现在，响亮的GW250114信号应能消除疑虑。凭借极高的信噪比，该信号能够可靠识别主导铃宕音调及其第一泛音。发现每个模式的频率和阻尼率与黑洞残骸克尔谱预期相符。研究人员通过对合并前和合并后信号的独立分析（忽略难以处理的合并阶段数据），得出初始和最终黑洞的面积，发现GW250114高度可信地符合霍金面积定律。
该结果对整个领域具有重要意义。首先，它填补了从信号中提取泛音的潜在漏洞：表明只要有足够高的信噪比，泛音的存在就明确无误，不会被视为拟合选择的人为产物。其次，它通过消除用合并后阶段结论解释合并前阶段的循环论证，强化了热力学测试。对于GW250114，旋进数据用于确定两个初始黑洞的面积，而铃宕数据仅用于确定最终黑洞的面积。由于对合并前和合并后阶段的独立分析（旋进基于后牛顿或有效单体动力学分析；铃宕基于克尔 “准正则模谱” 分析），这种方法为面积定律或其基本假设提供了真正的测试。
GW250114为该领域设定了新标准。未来对响亮合并事件的分析若要宣称探测到泛音，必须证明对模型假设（特别是合并开始时间的选择）具有类似的稳健性。地面干涉仪已从探测少数黑洞双星合并发展到对引力进行精确测试，探究包括四极模式、泛音和霍金面积定律等微妙特征。随着未来两轮观测（计划在本十年进行）和下一代升级中探测样本的增加，期待看到更多成果。