當(dāng)兩個黑洞相撞時，合并成一個更大的黑洞，并像敲響的鐘聲一樣響起，在時空中發(fā)出稱為引力波的漣漪，嵌入在這些引力波中的是特定的頻率或音調(diào)，它們類似于音樂和弦中的單個音符?，F(xiàn)在，研究人員首次在一個新形成黑洞的“環(huán)流”中檢測到兩個這樣的音調(diào)。以前，人們假設(shè)只能測量一個音調(diào)，并且附加的音調(diào)，稱為泛音，將太微弱而無法用今天的技術(shù)檢測到。加州理工大學(xué)研究生馬修·吉斯勒(Matthew Giesler)說：以前，就好像你只用一根弦就能匹配吉他的和弦聲音。
Giesler是2019年9月12日發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊上，這項(xiàng)新研究的第二作者，Giesler是提交給《物理評論X》一篇相關(guān)論文的主要作者，該研究論文介紹了用于尋找黑洞產(chǎn)生泛音的技術(shù)。這些結(jié)果是基于對美國國家科學(xué)基金會LIGO（激光干涉引力波天文臺）捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析得出，這一結(jié)果對阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論進(jìn)行了一種新的檢驗(yàn)。因?yàn)楹喜⒑诙唇?jīng)歷了破碎的引力，對這些事件的研究，能讓研究人員在極端條件下檢驗(yàn)廣義相對論。
在這個特殊案例中，科學(xué)家們測試了廣義相對論的一個具體預(yù)測：黑洞可以通過質(zhì)量和自旋速率來完全描述，愛因斯坦的理論又一次通過了測試。加州理工學(xué)院理論天體物理學(xué)的羅賓遜教授、吉斯勒的顧問索爾·蒂科爾斯基(Saul Teukolsky，博士，73年)說：這種測試早在第一次探測到之前就已經(jīng)提出了，但很多科學(xué)家都認(rèn)為探測器需要等很多年才能達(dá)到足夠的靈敏度。這一結(jié)果表明，我們可以開始使用今天的探測器開始進(jìn)行測試，包括泛音，這是一個意想不到的令人興奮的結(jié)果。
LIGO在2015年創(chuàng)造了歷史性的發(fā)現(xiàn)和證明，在愛因斯坦首次預(yù)測引力波100年后，它首次直接探測到了引力波。從那時起，LIGO和它的歐洲伙伴天文臺，室女座，已經(jīng)探測到了近30個引力波事件，這些事件正在進(jìn)一步分析中。這些引力波中的許多都是在兩個黑洞相撞時產(chǎn)生，在太空中發(fā)出抖動。一個新的黑洞形成于劇烈的天體物理過程，因此處于動蕩狀態(tài)，然而，它很快以引力波的形式釋放出這些多余的能量。作為吉斯勒研究生工作的一部分，他開始研究除了主信號或音調(diào)之外，是否還能在當(dāng)前的引力波數(shù)據(jù)中檢測到泛音。
盡管大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這些泛音太微弱了，專門研究了LIGO第一次探測到引力波的模擬，該模擬來自一次名為GW150914的黑洞合并事件。在合并的最后階段，也就是所謂的“振鈴”階段，新合并黑洞仍然在顫動。研究發(fā)現(xiàn)，響亮但持續(xù)時間較短的泛音出現(xiàn)在比之前意識到的更早振鈴階段?？的螤柎髮W(xué)物理學(xué)教授的Teukolsky說：這是一個非常令人驚訝的結(jié)果，傳統(tǒng)的看法是，當(dāng)殘留的黑洞安頓下來，任何音調(diào)都可以被探測到時，這些音調(diào)幾乎已經(jīng)完全衰減了。相反，事實(shí)證明，在主音變得可見之前，泛音是可以檢測到的。
新發(fā)現(xiàn)的泛音幫助研究人員測試黑洞“無毛”定理，除了質(zhì)量或自旋之外，沒有其他特征或“毛”。新結(jié)果證實(shí)了黑洞無毛，但科學(xué)家懷疑，未來對該理論的測試可能會顯示出不同情況。在該理論中，更詳細(xì)的觀測結(jié)果被用來探測黑洞合并。如果存在量子效應(yīng)，愛因斯坦的理論可能會崩潰。牛頓引力理論通過了許多引力弱的測試，但在描述引力最極端時，比如試圖描述合并黑洞時，完全失敗了。同樣，當(dāng)我們最終以越來越高的精度探測來自黑洞的信號時，有可能有一天，即使是廣義相對論也有可能在測試中失效。
在接下來的幾年里，LIGO和室女座的升級計(jì)劃將使天文臺對引力波更加敏感，揭示出更多隱藏的色調(diào)。加州理工大學(xué)物理學(xué)教授、LIGO實(shí)驗(yàn)室成員艾倫·溫斯坦(Alan Weinstein)說：一個事件越大，聲音越大，LIGO就越有可能發(fā)現(xiàn)這些暗示。隨著LIGO首次探測到引力波，我們證實(shí)了廣義相對論的預(yù)測?，F(xiàn)在，通過搜索被稱為高階模式的泛音，甚至更微弱的信號，科學(xué)家們正在尋找對該理論的更深層次測試，甚至是該理論崩潰的潛在證據(jù)。漸漸地，黑洞將揭開它們的奧秘，徹底改變我們對引力、空間和時間的理解。
博科園｜研究/來自：加州理工學(xué)院
參考期刊《arXiv》《物理評論快報》
Cite: arXiv:1903.08284
Cite: arXiv:1905.00869
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