引力波發現十周年記：黑洞測量的里程碑

北京大學 徐仁新 編譯自 Chiara M F Mingarelli.

Physic

本文選自《物理》2025年第11期

引力波天文學進展驚人。在十年前，引力波直接探測還是遙不可及的——那時總在調侃距離成功“還有五到十年”。2015年迎來突破：首次觀測到雙黑洞并合事件GW150914。此后觀測變得常態化，至今已記錄了數百例雙黑洞并合事件；甚至有證據表明存在納赫茲頻率的引力波背景，其波源很可能是星系中心超大質量雙黑洞系統。今年初，LIGO捕獲到了迄今最清晰的并合信號GW250114。基于這一信號，LIGO-Virgo-KAGRA(LVK)合作組得出結論：(1)并合前后天體的性質跟旋轉克爾黑洞一致；(2)驗證了1971年霍金提出的面積定理——黑洞視界的總面積不會減少。這些成果具有里程碑意義。

LIGO探測器捕獲的引力波信號示意圖。這里展示了雙黑洞并合的各個階段，從起初的旋近到殘骸的鈴宕。憑借有史以來獲得的最高信噪比，LVK合作組能夠甄別鈴宕階段的基模和第一高階模

目前全球有三座公里級干涉儀探測引力波：美國LIGO、意大利Virgo和日本KAGRA。這個新的事件發生于2025年1月14日，在LIGO的兩臺探測器中產生了清晰的信號。不過Virgo和KAGRA那時未采集數據。在距離、黑洞質量及應變(引力波經過探測器時導致的空間拉伸或壓縮)等方面，該事件跟首次探測到的雙黑洞并合事件GW150914都類似。兩次應變幅度都極其微小，僅10-21量級，相當于一米和銀河系直徑之比。然而，得益于探測靈敏度的顯著提升，信噪比卻從2015年的26提升至現在的80，性能改進了三倍多。作為迄今最清晰的雙黑洞并合信號，GW250114使得LVK合作組能夠更好地檢驗與強引力場和黑洞相關的理論。

兩黑洞剛并合后，其新生殘骸并非穩態而是像被擊打的鐘鈴那般振蕩。處于這個“鈴宕”相的黑洞也輻射引力波，其特征僅依賴于兩個參數：質量和自旋。早有預言，鈴宕信號由一組“準正模”構成：其中基模壽命最長，較低頻的高階模則衰減較快(見圖)。一言以蔽之，這些多模振蕩就像撥動琴弦產生的諧振。若測得一個或多個高階模，人們便可驗證殘骸是否真的就是廣義相對論預言的旋轉克爾黑洞。

并合事件還為檢驗黑洞熱力學提供了契機(涉及量子引力、量子力學及熱力學等方面)，其中第二定律即霍金的面積定理：黑洞視界總面積不會隨時間減少(當然要短于蒸發時標)。通過并合前后分段測量引力波即可檢驗面積定理。從并合前的旋近信號中可獲取兩黑洞的質量和自旋，而鈴宕階段可以獲取并合后殘余黑洞的質量和自旋。通過數據分析，將黑洞質量和自旋換算成面積后，即可驗證殘留黑洞面積是否大于初始黑洞面積之和。

觀測檢驗霍金面積定理并不新鮮，首次嘗試發表于2021年。通過重新分析GW150914的數據，有人聲稱可能測得了第一高階模，但這一結論引發了數據分析可靠性的多年爭論并陷入僵局。如今，信噪比極高的GW250114信號可成功識別基模和第一高階模，消除了疑云。通過并合前后信號的獨立分析(舍棄此間較難處理的數據)，研究人員給出了初始與最終黑洞的面積，發現GW250114事件以極高置信度符合霍金面積定律。

該結果意義深遠。首先，它彌補了提取高階模信號的潛在漏洞：只要信噪比足夠高，高階模的存在就很顯著，明確排除擬合時的人為干擾。其次，避免利用并合后的結論來解釋并合前行為這一循環論證，強化了黑洞熱力學檢驗的嚴謹性。就GW250114而言，旋近階段的數據用于確定兩初始黑洞的面積，而鈴宕階段數據僅用于確定殘留黑洞的面積。這一次，通過兩階段的獨立分析實現了面積定律的真正檢驗。

GW250114為整個研究領域樹立了新標桿：從搜尋雙黑洞并合事件發展至引力理論的精確檢驗。未來地面引力波探測將升級設備，并在十年內安排兩輪觀測，探測樣本將會不斷擴大。讓我們見證下一個突破！

《物理》50年精選文章