解碼引力波信號(hào) “弦外之音”驗(yàn)證黑洞“無毛”形象

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)量和自旋的測量結(jié)果相吻合。

“如果科學(xué)家的計(jì)算結(jié)果與測量結(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)測量，但受制于目前的觀測、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。”