如果阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论成立,那么一个由两个巨大的黑洞在宇宙中剧烈碰撞而产生的黑洞,在其产生后会“振动”,产生的引力波就像被击中的钟状反向声波一样。爱因斯坦预测,这些引力波的特定音调和衰减应该是新形成黑洞的质量和自旋的直接特征。
现在,来自麻省理工学院和其他地方的物理学家们第一次“听到”了一个幼年黑洞的响声,并发现这种响声的模式确实预测了黑洞的质量和自旋——更多的证据表明爱因斯坦一直以来都是正确的。
今天发表在《物理评论快报》上的这些发现也支持黑洞没有任何“毛发”的观点——这是一个比喻,指的是根据爱因斯坦的理论,黑洞应该只表现出三个可观察到的特性:质量、自旋和电荷。物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)称之为“毛发”的所有其他特征,都应该被黑洞本身吞噬,因此是无法观测到的。
研究小组今天的发现支持了黑洞实际上是无毛的这一观点。研究人员能够识别出黑洞的振铃模式,并利用爱因斯坦方程计算出黑洞的质量和自旋,给出了黑洞的振铃模式。这些计算结果与之前其他人对黑洞质量和自旋的测量结果相吻合。
如果研究小组的计算结果与测量结果有明显偏差,那么这就意味着黑洞的振铃所编码的性质并不包括质量、自旋和电荷——这是爱因斯坦理论所无法解释的物理学的诱人证据。但事实证明,黑洞的振铃模式是其质量和自旋的直接标志,支持了黑洞是秃顶巨人的观点,缺乏任何无关的、毛发状的特性。
“我们都希望广义相对论是正确的,但这是我们第一次以这种方式证实它,”该研究的第一作者、麻省理工学院卡维里天体物理与空间研究所(Kavli Institute for Astrophysics and Space Research) NASA爱因斯坦研究员马克西米利亚诺·伊西(Maximiliano Isi)说。这是第一个成功地直接测试无毛定理的实验测量。这并不意味着黑洞没有毛发。这意味着没有毛发的黑洞的图片还能存活一天。”
2015年9月9日,科学家首次探测到引力波——时空中微小的涟漪,来自遥远而猛烈的宇宙现象。此次探测名为GW150914,由激光干涉仪引力波观测站LIGO完成。一旦科学家们消除了噪音并放大了信号,他们观察到一个波形,在衰减之前会迅速增加。当他们把信号转换成声音时,他们听到了类似“唧唧”的声音。
科学家们确定引力波是由两个巨大黑洞的快速吸气引起的。信号的峰值——唧唧声中最响亮的部分——与黑洞碰撞、合并成一个新黑洞的时刻有关。虽然这个新生的黑洞很可能发出了它自己的引力波,但物理学家认为,在最初碰撞的喧闹声中,它的信号铃声太微弱,无法解读。
爱因斯坦的广义相对论预测,黑洞引力波的螺距和衰减应该是其质量和自旋的直接产物。也就是说,一个具有一定质量和自旋的黑洞只能产生一定音调和衰减。