科学家首次探测到新生黑洞的铃声

如果阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论成立，那么一个黑洞，由两个大质量黑洞的宇宙震动碰撞而产生，其本身应该在撞击后“响”起来，产生引力波，就像被击中的钟反射声波一样。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研究了一个幼年黑洞的振铃现象，发现这种振铃的模式确实可以预测黑洞的质量和自旋——这进一步证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》上的这一发现，也支持黑洞没有任何“毛发”的观点——这个比喻指的是，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，这就意味着黑洞的振铃会编码质量、自旋和电荷以外的属性——这是物理学的诱人证据，超出了爱因斯坦理论所能解释的范围。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。”

唧唧喳喳,解码

2015年9月14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——与黑洞碰撞的那一刻有关，并融合成一个新的黑洞。虽然这个新生的黑洞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。因此，只有在峰值之后的一段时间，信号太微弱，无法进行详细研究，才能发现这种铃声的痕迹。

然而，Isi和他的同事找到了一种方法，可以从信号到达峰值后的瞬间提取出黑洞的混响。Isi的合作者、加州理工大学的Matthew Giesler在之前的研究中通过模拟表明，这样的信号，尤其是在峰值之后的那部分，包含着“泛音”——一种响亮而短暂的音调。当他们重新分析信号时，考虑到弦外之音，研究人员发现他们可以成功地分离出一个铃声模式，这是一个新形成的黑洞所特有的。

在研究小组的新论文中，研究人员将这项技术应用到GW150914探测的实际数据中，专注于紧随啁啾峰值之后的信号的最后几毫秒。考虑到这个信号的弦外之音，他们能够辨别出一个铃声来自这个新生的婴儿黑洞。具体来说，他们确定了两种不同的音调，每一种音调和衰减率都是他们能够测量的。

Isi说:“我们探测到一个由多个频率组成的整体引力波信号，这些频率以不同的速率衰减，就像组成声音的不同音调一样。”“每个频率或音调都对应于新黑洞的振动频率。”

听超越爱因斯坦

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。为了验证爱因斯坦的理论，研究小组利用广义相对论方程计算了新形成的黑洞的质量和自旋，给出了他们探测到的两个音调的音调和衰减。

他们发现，他们的计算结果与之前其他人对黑洞质量和自旋的测量结果相符。情报局说,结果表明,研究人员可以,事实上,用非常响亮,大多数引力波的探测部分信号分辨一个新的黑洞的响了,之前,科学家们认为这铃声中只能检测到微弱的引力波信号,并确定需要很多音调比什么更敏感仪器目前存在。

Isi说:“这对社区来说是令人兴奋的，因为这表明这类研究现在是可能的，而不是20年后。”

随着LIGO分辨率的提高，以及未来更灵敏的仪器的问世，研究人员将能够使用该小组的方法“听到”其他新生黑洞的声音。如果他们碰巧听到的音调与爱因斯坦的预测不太相符，那将是一个更令人兴奋的前景。

Isi表示:“未来，我们将在地球和太空中拥有更好的探测器，不仅能看到两种模式，还能看到几十种模式，并精确确定它们的性质。”“如果这些不是爱因斯坦预言的黑洞，如果它们是更奇特的物体，比如虫洞或玻色子恒星，它们可能不会以同样的方式发出声音，我们将有机会看到它们。”

这项研究在一定程度上得到了NASA、Sherman Fairchild基金会、Simons基金会和国家科学基金会的支持。