在宇宙中，能夠吞噬一切光線(xiàn)和物質(zhì)的黑洞，像一個(gè)神秘莫測的影子。百余年來(lái)，它頻頻被人類(lèi)所“察覺(jué)”，卻又總是難以理解。4 年前，兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號被捕捉到，科學(xué)家將引力波轉化成聲波，人類(lèi)開(kāi)始“聽(tīng)”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(lèi)終于“看”到了黑洞。

　　近日，人類(lèi)再次破譯黑洞密碼?？蒲腥藛T在《物理評論快報》刊文稱(chēng)他們“聽(tīng)懂”了一個(gè)新生黑洞的“聲音”。并發(fā)現通過(guò)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。這一結果，與用其他方法分析黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號得到的新生黑洞的質(zhì)量和自旋一致，進(jìn)而證明了愛(ài)因斯坦廣義相對論是正確的，黑洞作為“禿頂巨人”的無(wú)毛定理，也被驗證。

　　“鐘響”中包含黑洞屬性

　　100 多年前，愛(ài)因斯坦的廣義相對論曾預言，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(guò)去了，新生黑洞及其產(chǎn)生的引力波仍然是個(gè)謎團，遲遲未被人類(lèi)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(LIGO)首次探測到，在 13 億光年外，兩個(gè)黑洞相互繞轉、扭曲地融合在一起，輻射出攜帶著(zhù)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。

　　當科學(xué)家們消除探測器噪音并放大引力波信號后，他們觀(guān)察到了一個(gè)波形，該波形在衰減之前會(huì )迅速增強。當他們把這個(gè)信號轉換成聲音時(shí)，聽(tīng)到了類(lèi)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(lèi)似。”中科院紫金山天文臺宇宙高能粒子加速和輻射研究團組首席科學(xué)家劉四明接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

　　在這次探測中，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(guò)對聲音的分析，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)家們認為，在兩個(gè)黑洞最初碰撞的喧鬧聲中，它的信號“聲音”太微弱，無(wú)法解讀。

　　然而，研究團隊找到了一種新的方法，可以在信號到達峰值后的瞬間提取出黑洞的“聲音”。研究小組通過(guò)數據模擬，發(fā)現當信號到達峰值后，還存在著(zhù)一種“弦外之音”——一組響亮而短暫的“聲音”。當他們將這種“弦外之音”納入考量，重新分析信號數據后，發(fā)現他們可以成功地分離出來(lái)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)應用于對 GW150914 的實(shí)際觀(guān)測數據，分析表明，信號峰值后的幾毫秒里，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”和衰減數據都來(lái)源于新生黑洞。

　　通過(guò)數值模擬，科學(xué)家們計算出了引力波的演化過(guò)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。

　　“我們檢測到由多個(gè)頻率組成的整體引力波信號，這些信號以不同的速率逐漸消失，就像構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)頻率或音調都對應于新黑洞的振動(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)家對于黑洞較平靜時(shí)的研究較多，對于其合并初期的研究較少，部分原因是以前科學(xué)家認為強引力波的振動(dòng)是來(lái)自于很多非線(xiàn)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(xiàn)性疊加，可以把不同的振動(dòng)頻率分開(kāi)研究。”李晉斌說(shuō)。

　　“音調”和衰減證明無(wú)毛定理

　　在愛(ài)因斯坦看來(lái)，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”和衰減。

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

　　通過(guò)對觀(guān)測數據比較，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(yáng)質(zhì)量。

　　這一結果，與利用完整的引力波信號得到的新生黑洞的質(zhì)量和自旋數據一致，也驗證了黑洞的“無(wú)毛”定理。

　　美國著(zhù)名物理學(xué)家約翰·惠勒曾預言，黑洞只有三種可觀(guān)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，都應該被黑洞吞噬。

　　但是，黑洞是否有“毛發(fā)”，學(xué)者們已經(jīng)爭論了幾十年。愛(ài)因斯坦也提出了一種方法來(lái)檢驗這一理論，當兩個(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)量和自旋屬性應該編碼在其引力波的一些“音調”中。

　　此次發(fā)表的論文，支持了黑洞“無(wú)毛”定理，并給出了黑洞的“發(fā)聲”模式。這些計算結果與之前其他人對黑洞質(zhì)量和自旋的測量結果相吻合。

　　“如果科學(xué)家的計算結果與測量結果有明顯偏差，就意味著(zhù)黑洞產(chǎn)生引力波的模式并不僅僅依賴(lài)于質(zhì)量、自旋和電荷，也就證明廣義相對論預言的黑洞‘無(wú)毛’定理是錯的。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算出黑洞的質(zhì)量和自旋。”劉四明說(shuō)。

　　不過(guò)，李晉斌認為，雖然這是第一個(gè)直接驗證“無(wú)毛”定理的實(shí)驗測量，但受制于目前的觀(guān)測、分析工具和分析能力，并不意味就此證明了所有黑洞都沒(méi)有“毛發(fā)”。

　　劉四明認為，如果存在量子效應，愛(ài)因斯坦的理論可能會(huì )不夠準確。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(zhù) LIGO 分辨率的提高以及未來(lái)更靈敏的儀器上線(xiàn)，研究人員將能夠使用這個(gè)方法“聽(tīng)到”更多其他新生黑洞的“聲音”。

　　“未來(lái)，我們將在地球和太空中擁有更好的探測器，并且不僅可以看到兩個(gè)，還可以看到數十種模式，并精確地測量出它們的屬性。”伊西說(shuō)，“如果這些不是黑洞，如果它們是像蟲(chóng)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，我們將有機會(huì )‘聽(tīng)到’它們。”
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