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无毛定理被验证了?

时间: 2019年09月18日 | 作者: Zwicky | 来源: 原理
引力波时代的到来不仅为我们探索宇宙打开了一扇新的窗口,也为检验无毛定理带来了希望。


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1.

当一颗足够大的恒星在自身引力的作用下坍缩成一个无穷小点时,就成为了一个有着超强引力场的黑洞。在黑洞周围的一定距离内,任何东西都无法逃脱,甚至连光也不能。黑洞具有一个确定的质量,也会以极快的速度像陀螺一样旋转。


2015年9月14日,人类第一次成功地探测到了双黑洞并合辐射出的时空的涟漪——引力波,这一事件被称为GW150914。它发生在13亿光年之外,有两个黑洞相互旋进,最终并合成为了一个更大的黑洞。在最初的几毫秒内,新生的黑洞以扭曲的状态存在。但随着它的几何形状稳定下来,它释放出了携带着黑洞的质量、自旋、(原则上还有)电荷信息的引力波形。

根据爱因斯坦的广义相对论,这些信息已经足以描述任何黑洞。任何其他的特征——也就是被著名物理学家惠勒(John Wheeler)称之为“毛发”,都应该被黑洞吞噬而无法被观测到。这便是黑洞的无毛定理。


但是,要如何检验无毛定理呢?

这绝非易事。幸运的是,引力波时代的到来不仅为我们探索宇宙打开了一扇新的窗口,也为检验无毛定理带来了希望。


2.

在双黑洞并合释放出的引力波中,被嵌入了特定的频率,或者说是“音调”,类似于音乐和弦中的单个音符。

研究人员先将接收到的引力波信号中的噪声消除,再对信号进行放大,然后就观察到了一个在衰减之前迅速增强的波形。当把这种信号转换成声音时,他们听到了类似“啁啾”的鸣响。信号的峰值对应于啁啾中最响亮的部分,这一部分与黑洞碰撞、并合成一个新黑洞的时刻有关。

新生的黑洞发出了它自己的引力波,但物理学家认为,在最初碰撞发出的喧闹声中,它的信号声响太过于微弱,因此无法被解读。所以,只有在峰值之后的某个时刻才能分辨出这个声响的痕迹,但如此一来,信号就会过于微弱而无法对其进行详细研究。

然而,研究人员找到了一种方法,可以从信号到达峰值后的瞬间即可提取出黑洞的回响。通过模拟,研究人员发现这样的信号,尤其是在峰值之后的那部分,包含着“泛音”——一类响亮而短暂的声音。如果将泛音纳入考量再重新分析信号,就可以成功地分离出一种声音模式——一种新形成的黑洞所特有的模式。


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○ 研究人员首次在新形成黑洞的“铃宕”阶段探测到了两种音调。过去,研究人员认为只有一种音调可以被探测到,而额外的音调,即泛音,由于太过于微弱而无法被探测到。


研究人员将这项技术应用到GW150914事件中的实际数据中,他们专注在紧随啁啾峰值之后的最后几毫秒的信号。在考虑到这个信号中的泛音之后,他们辨别出了其中有一个声音是来自这个新生的黑洞。具体来说,他们确定了两种不同的音调,并且能够测量每种音调中的音高和衰减率。

研究人员解释说,他们探测到了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高一样。每个频率或者音调都对应于新黑洞的振动频率。


3.

根据爱因斯坦的广义相对论的预测,黑洞引力波的音调和衰减与质量和自旋有关。也就是说,一个具有一定质量和自旋的黑洞只能产生特定的音调和衰减。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,得出了他们探测到的两个音调的音高和衰减。他们发现,计算的结果与之前其他人对黑洞质量和自旋的测量结果相符。

利用这一被称为黑洞光谱学的新技术,研究人员证实了黑洞确实没有毛发。正如19世纪末对原子光谱的测量,开启了恒星天体物理学的时代,而黑洞光谱学的到来,也将为我们理解黑洞和广义相对论带来全新的视角。


未来,随着现有引力波探测器不断的升级,以及更加灵敏的仪器的问世,研究人员能够使用这一方法“听到”其他新生黑洞的声音。如果他们碰巧听到的音调与广义相对论的预测不符,那将是一个令人兴奋的前景。而这正是一些物理学家所期待的,因为考虑到量子效应,爱因斯坦的理论很可能会崩溃。

在弱引力场的情况下,牛顿的引力理论通过了许多的检验。但随着引力变得越来越极端,比如两个黑洞并合的情况下,牛顿的理论就完全不适用了。同样地,当我们最终以越来越高的精确度探测来自黑洞的信号时,甚至连广义相对论也有一天可能无法通过检验。

自第一次探测到引力波已经四年过去了,而对引力波和黑洞的不断探索,正一点点地改变我们对引力、空间和时间的理解。


参考来源:

http://news.mit.edu/2019/ringing-new-black-hole-first-0912

http://www.caltech.edu/about/news/first-overtones-heard-ringing-black-hole

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.111102

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/sf-bh091219.php

http://www.sciencemag.org/news/2019/09/black-hole-reverberations-suggest-cosmic-beasts-are-bald-cue-balls