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黑洞碰撞证实了爱因斯坦和霍金几十年前的预测经过
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雅格布·普里斯科
2025年9月12日更新
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一个艺术家对GW250114的印象，这是天文学家以前所未有的细节观察到的两个黑洞之间的强大碰撞。
奥罗尔·西蒙内(SSU/埃德温)/LVK/URI
天文学家以前所未有的细节探测到了两个黑洞之间的碰撞，为这些宇宙奇异现象的本质提供了迄今为止最清晰的视图，并证实了传奇物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和斯蒂芬·霍金长期以来的预测。
这一事件被命名为GW250114，于1月份为人所知，当时研究人员用激光干涉引力波天文台(LIGO)发现了它——这是一套两个相同的仪器，分别位于路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。这些仪器探测到了引力波，这是两个黑洞相互撞击时在时空中产生的微弱波纹。
寻找引力波，1915年作为爱因斯坦相对论的一部分预测的现象，是识别来自地球的黑洞碰撞的唯一方法。爱因斯坦认为这种波太弱了，人类技术永远无法捕捉到，但是2015年9月，LIGO记录下来这是第一次，后来有三位科学家获得了诺贝尔奖，他们为这项研究的发展做出了重要贡献黑洞望远镜.”
哥伦比亚大学天文学助理教授、纽约市熨斗研究所计算天体物理中心的天体物理学家Maximiliano Isi说，新探测到的黑洞每个都是太阳质量的30到35倍，它们旋转得非常慢。三军情报局领导了一个新的研究LIGO-处女座-卡格拉合作的GW250114数据，周三发表在《物理评论快报》上。
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Isi说:“这些黑洞距离我们大约10亿光年，它们几乎是以一个完美的圆圈围绕着彼此运行。”。由此产生的黑洞大约是太阳质量的63倍，它以每秒100转的速度旋转
根据Isi的说法，这些特征使得这次合并几乎是10年前第一次突破性检测的精确复制。“但是现在，因为从那时起仪器已经改进了这么多，我们可以更清晰地看到这两个黑洞，因为它们彼此靠近，合并成一个，”他补充道。
Isi表示，这一观察让科学家对“空间和时间的动力学”有了全新的认识。
爱因斯坦和双色戒指LIGO号还有两个较小的姊妹仪器——意大利的处女座和日本的卡格拉——由一家全球科学公司管理社区大约1600名研究人员。它的工作原理是检测由引力波引起的微小空间延伸，正如Isi所说，这相当于“比原子核半径小1000倍的距离变化”。迄今为止，科学家已经用它观察了300多次黑洞合并。
今年早些时候，该仪器检测到最大质量的黑洞碰撞迄今为止，两个黑洞之间的质量大约是太阳的100到140倍。
自首次亮相以来，LIGO的一些关键部件——包括激光器和镜子——已经升级，以提高精度和降低背景噪音。这种性能的提高使其新的观测结果比十年前的首次观测结果精确了三倍多。
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通过转换成音频的引力波数据听到这些宇宙碰撞来源:LIGO/德里克·戴维斯(URI)
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这种前所未有的清晰度使天文学家能够使用GW250114来证实几十年前由著名物理学家做出的关于黑洞的预测。
第一个预测是由新西兰数学家罗伊·克尔在1963年提出的，建立在爱因斯坦的广义相对论基础上，并指出黑洞应该是由一个方程描述的矛盾的简单物体。
“是的，黑洞非常神秘，复杂，对宇宙的演化有着重要的意义，”Isi说，“但从数学上来说，我们认为它们应该只用两个数字来完全描述。关于它们的一切都应该来自黑洞有多大——或者它的质量有多大——以及它旋转的速度有多快。”
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为了测试这一理论，研究人员使用了黑洞碰撞的一个独特特征:最终黑洞产生的“铃声”或振动——就像被敲响的钟。“如果你有一个钟，你用锤子敲它，它就会响，”Isi指出。“声音的音高和持续时间，声音的特征，告诉你一些关于钟是由什么组成的。黑洞也发生了类似的事情——它们在引力波中形成环状。”
Isi补充说，这种环包括黑洞及其周围空间的结构信息。虽然这种现象以前被隐约观察到，但GW250114返回了一个具有“两种模式…一种基模和一种泛音”的信号，清晰得多。
“我们确定了这个环的两个组成部分，这使我们能够测试这个黑洞是否真的符合只用两个数字来描述，质量和旋转，”他说。“这是我们理解空间和时间如何运作的基础——在某种程度上，这些黑洞应该是无特征的。这是我们第一次能够如此令人信服地看到这一点。”
霍金表面积定理GW250114证实的第二个预测是英国物理学家斯蒂芬·霍金在1971年做出的一个预测，该预测指出，当两个黑洞合并时，产生的表面积必须等于或大于原始黑洞的表面积。
“这是一个深刻但非常简单的定理，它表明黑洞的总表面积永远不会减少——它只会变大或保持不变，”Isi说。
尽管先前的LIGO观测提供了初步的确认Isi说，这个新信号的清晰性给了研究人员无与伦比的信心。
在这次对GW250114事件的模拟中，引力波的大小不断增长，随着黑洞的合并而达到峰值，然后随着新形成的残余黑洞的沉降而迅速下降。
黛博拉·费格森/德里克·戴维斯/罗布·科因(URI)/LIGO/玛雅合作
“因为我们能够在早期识别来自黑洞的信号部分，因为它们彼此分离，我们可以从中推断它们的区域，”他解释道。“然后我们可以观察来自最后一个黑洞的信号的最后部分，并测量它自己的面积。”
就像克尔方程一样，霍金定理也以爱因斯坦的工作为基础:“爱因斯坦的理论就像这一切的操作系统，”Isi解释道。
基普·索恩是LIGO贡献奖的三位获奖者之一，他说霍金一得知2015年引力波探测就打电话给他，询问LIGO是否能够测试他的定理。索恩在一份关于新发现的声明中谈到这位于2018年去世的受人尊敬的物理学家时说:“如果霍金还活着，他会陶醉于看到合并黑洞的面积增加。”。
Isi说，这一开创性的理论工作在几十年后被先进的仪器所证实，这是非常了不起的。他补充说，证实霍金的方程可能会对物理学中一个非常受欢迎的目标产生影响——将描述引力的广义相对论与涉及亚原子世界的量子力学结合起来。
“LIGO创造了一个全新的天文学分支。它彻底改变了我们对致密物体的看法，特别是黑洞，”他说。“在LIGO开启之前，人们甚至不确定黑洞会以这种方式合并、碰撞和形成。”
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这张图表描绘了自2015年LIGO首次探测到一对碰撞黑洞发出的引力波以来，LIGO-处女座-卡格拉(LVK)网络的发现。
（美国）加利福尼亚理工学院
期待已久的里程碑没有参与这项研究的约翰·霍普金斯大学物理学和天文学教授伊曼纽·伯蒂说，引力波非常微弱，探测它们的巨大任务经常被描述为大海捞针。他将LIGO探测器描述为帮助这一过程的“助听器”。
他在一封电子邮件中说:“一大群科学家花了十年时间来改进这些助听器，现在我们可以以更高的清晰度'听到’信号。”"我们现在可以测试十年前无法测试的重力基本原理."
他补充说，在这些原则中，有一个观点是黑洞是宇宙中最简单的宏观物体。GW250114碰撞产生的“振铃”的详细程度意味着科学家可以自信地说，最终的物体与爱因斯坦广义相对论预测的黑洞一致，Berti说这是“非常令人兴奋的”。
英国南安普顿大学的数学物理学教授Leor Barack也没有参与这项研究，他指出，在LIGO记录的300多个黑洞合并事件中，最新的一个“特别引人注目”，并称这项新研究是一项期待已久的分析。巴拉克补充说，当残余黑洞最终形成时，科学家们能够提取出其中的两种“纯音”。
“除了主音之外，这第一次包括了第一个'泛音’的清晰提取，一个振铃孔的微弱和谐的声音，”他说。"这种测试是迄今为止最精确的，远远超过其他测试。"
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智利安德烈斯·贝洛大学天体物理研究所助理教授马卡雷纳·拉戈斯说，这项研究代表了引力波天文学的一个重要里程碑。拉各斯也没有参与这项工作。
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她同意在“振铃”黑洞中检测到第二个音调特别重要，并补充说GW250114证明了LIGO正在进行的改进的成功，并表明引力波检测可以以前所未有的方式测试基础物理。
拉各斯在一封电子邮件中说，“虽然目前的重力测试仍有很大的不确定性，但这项工作为未来的探测奠定了基础”，预计未来几年的质量会更好。"这些未来的观测有望为我们对时空和重力的理解提供更精确的测试."
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