在宇宙中，能夠吞噬一切光線和物質(zhì)的黑洞，像一個(gè)神秘莫測(cè)的影子。百余年來，它頻頻被人類所“察覺”，卻又總是難以理解。4 年前，兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)被捕捉到，科學(xué)家將引力波轉(zhuǎn)化成聲波，人類開始“聽”到黑洞。5 個(gè)月前，全球多地天文學(xué)家同步公布首張黑洞真容，人類終于“看”到了黑洞。

　　近日，人類再次破譯黑洞密碼?？蒲腥藛T在《物理評(píng)論快報(bào)》刊文稱他們“聽懂”了一個(gè)新生黑洞的“聲音”。并發(fā)現(xiàn)通過分析這種“發(fā)聲”模式的特征，可以得到黑洞的質(zhì)量和自旋。這一結(jié)果，與用其他方法分析黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)得到的新生黑洞的質(zhì)量和自旋一致，進(jìn)而證明了愛因斯坦廣義相對(duì)論是正確的，黑洞作為“禿頂巨人”的無毛定理，也被驗(yàn)證。

　　“鐘響”中包含黑洞屬性

　　100 多年前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論曾預(yù)言，如果兩個(gè)黑洞在宇宙中碰撞，會(huì)合并產(chǎn)生一個(gè)新的黑洞，其誕生后的“振動(dòng)”，即引力波，就像被撞擊的鐘一樣，產(chǎn)生反向聲波向外傳播。然而，100 多年過去了，新生黑洞及其產(chǎn)生的引力波仍然是個(gè)謎團(tuán)，遲遲未被人類窺探。

　　2015 年 9 月 14 日，科學(xué)家用美國激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)首次探測(cè)到，在 13 億光年外，兩個(gè)黑洞相互繞轉(zhuǎn)、扭曲地融合在一起，輻射出攜帶著黑洞的質(zhì)量和自旋信息的引力波。這個(gè)事件被命名為 GW150914。

　　當(dāng)科學(xué)家們消除探測(cè)器噪音并放大引力波信號(hào)后，他們觀察到了一個(gè)波形，該波形在衰減之前會(huì)迅速增強(qiáng)。當(dāng)他們把這個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音時(shí)，聽到了類似“唧唧”的聲音。

　　“引力波發(fā)出的‘唧唧’的聲音是一種形象的比喻，它的波形和聲波很類似。”中科院紫金山天文臺(tái)宇宙高能粒子加速和輻射研究團(tuán)組首席科學(xué)家劉四明接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說。

　　在這次探測(cè)中，科學(xué)家們確定，引力波是由兩個(gè)巨大黑洞的合并觸發(fā)的。信號(hào)的峰值、“唧唧”聲中最響亮的部分，就是兩個(gè)黑洞碰撞、合并成一個(gè)新黑洞的時(shí)刻。

　　在隨后的四年間，科學(xué)家們經(jīng)常探測(cè)到引力波事件，但卻一直未能從中解碼黑洞的屬性。

　　劉四明打了個(gè)比方，“兩個(gè)黑洞合并后生成的新黑洞產(chǎn)生的引力波，就像敲鐘后的尾音，鐘剛剛敲響時(shí)的聲音最大，然后逐漸衰減。而尾音的頻率與鐘的大小有關(guān)，通過對(duì)聲音的分析，就可以反推鐘的質(zhì)量、材質(zhì)等。

　　層層漣漪具有不同震蕩頻率

　　雖然新生黑洞很可能產(chǎn)生了它自己的引力波，但科學(xué)家們認(rèn)為，在兩個(gè)黑洞最初碰撞的喧鬧聲中，它的信號(hào)“聲音”太微弱，無法解讀。

　　然而，研究團(tuán)隊(duì)找到了一種新的方法，可以在信號(hào)到達(dá)峰值后的瞬間提取出黑洞的“聲音”。研究小組通過數(shù)據(jù)模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)信號(hào)到達(dá)峰值后，還存在著一種“弦外之音”——一組響亮而短暫的“聲音”。當(dāng)他們將這種“弦外之音”納入考量，重新分析信號(hào)數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)他們可以成功地分離出來一種新的“聲音”模式，一種新生黑洞發(fā)出的“聲音”。

　　研究人員將這種新技術(shù)應(yīng)用于對(duì) GW150914 的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析表明，信號(hào)峰值后的幾毫秒里，至少存在一種頻率更低、衰減更快的“弦外之音”，并確定了兩種不同的“聲音”模式，每一種“音調(diào)”和衰減數(shù)據(jù)都來源于新生黑洞。

　　通過數(shù)值模擬，科學(xué)家們計(jì)算出了引力波的演化過程，進(jìn)而確定了黑洞的質(zhì)量和自旋?？茖W(xué)家們還利用信號(hào)峰值之后的“聲音”特征，確定了新生黑洞的質(zhì)量和自旋。

　　“我們檢測(cè)到由多個(gè)頻率組成的整體引力波信號(hào)，這些信號(hào)以不同的速率逐漸消失，就像構(gòu)成聲音的不同音高一樣。”該論文的第一作者、美國麻省理工學(xué)院的研究人員伊西表示，“每個(gè)頻率或音調(diào)都對(duì)應(yīng)于新黑洞的振動(dòng)頻率。”

　　黑洞為何會(huì)發(fā)出不同振動(dòng)頻率的引力波?南京航空航天大學(xué)副教授李晉斌介紹，黑洞合并初期產(chǎn)生的引力波，就像向湖中投出一枚石子，石子的震蕩在湖面形成不同的漣漪，不同的漣漪有不同的振動(dòng)頻率，最初的震蕩最劇烈也最快，此時(shí)傳遞的能量也最大。

　　“此前科學(xué)家對(duì)于黑洞較平靜時(shí)的研究較多，對(duì)于其合并初期的研究較少，部分原因是以前科學(xué)家認(rèn)為強(qiáng)引力波的振動(dòng)是來自于很多非線性的模式混合，難以分析、提取，但此次的研究中，‘聲音’其實(shí)是線性疊加，可以把不同的振動(dòng)頻率分開研究。”李晉斌說。

　　“音調(diào)”和衰減證明無毛定理

　　在愛因斯坦看來，一個(gè)具有一定質(zhì)量和自旋的黑洞，只能產(chǎn)生特定的“音調(diào)”和衰減。

　　在此次研究中，科學(xué)家們利用廣義相對(duì)論方程，計(jì)算了衰減的引力波信號(hào)和新生黑洞質(zhì)量和自旋之間的關(guān)系。

　　通過對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)比較，由兩個(gè)黑洞合并后形成的新黑洞，重量約為 68.5 個(gè)太陽質(zhì)量。

　　這一結(jié)果，與利用完整的引力波信號(hào)得到的新生黑洞的質(zhì)量和自旋數(shù)據(jù)一致，也驗(yàn)證了黑洞的“無毛”定理。

　　美國著名物理學(xué)家約翰·惠勒曾預(yù)言，黑洞只有三種可觀察的特性，即質(zhì)量、自旋和電荷。形成黑洞的天體，它們的“毛發(fā)”，即其他特征，都應(yīng)該被黑洞吞噬。

　　但是，黑洞是否有“毛發(fā)”，學(xué)者們已經(jīng)爭(zhēng)論了幾十年。愛因斯坦也提出了一種方法來檢驗(yàn)這一理論，當(dāng)兩個(gè)黑洞碰撞并形成一個(gè)新的黑洞時(shí)，產(chǎn)生的引力波在時(shí)空中引起漣漪，關(guān)于新生黑洞的質(zhì)量和自旋屬性應(yīng)該編碼在其引力波的一些“音調(diào)”中。

　　此次發(fā)表的論文，支持了黑洞“無毛”定理，并給出了黑洞的“發(fā)聲”模式。這些計(jì)算結(jié)果與之前其他人對(duì)黑洞質(zhì)量和自旋的測(cè)量結(jié)果相吻合。

　　“如果科學(xué)家的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果有明顯偏差，就意味著黑洞產(chǎn)生引力波的模式并不僅僅依賴于質(zhì)量、自旋和電荷，也就證明廣義相對(duì)論預(yù)言的黑洞‘無毛’定理是錯(cuò)的。但恰恰相反，此次研究證明了利用引力波的特定頻率和衰減率可以測(cè)算出黑洞的質(zhì)量和自旋。”劉四明說。

　　不過，李晉斌認(rèn)為，雖然這是第一個(gè)直接驗(yàn)證“無毛”定理的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，但受制于目前的觀測(cè)、分析工具和分析能力，并不意味就此證明了所有黑洞都沒有“毛發(fā)”。

　　劉四明認(rèn)為，如果存在量子效應(yīng)，愛因斯坦的理論可能會(huì)不夠準(zhǔn)確。正如牛頓的引力理論在試圖描述合并黑洞時(shí)完全不適用。

　　但是，隨著 LIGO 分辨率的提高以及未來更靈敏的儀器上線，研究人員將能夠使用這個(gè)方法“聽到”更多其他新生黑洞的“聲音”。

　　“未來，我們將在地球和太空中擁有更好的探測(cè)器，并且不僅可以看到兩個(gè)，還可以看到數(shù)十種模式，并精確地測(cè)量出它們的屬性。”伊西說，“如果這些不是黑洞，如果它們是像蟲洞或玻色子星更奇特的物體，它們可能會(huì)以不同的方式響起，我們將有機(jī)會(huì)‘聽到’它們。”
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