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霍金错了?黑洞无毛定理将经受考验,黑洞可能不是光秃秃的

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 Emma Chou • 2019-09-18 11:13:09 来源:前瞻网 E2009G0

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早在2017年,引力波就像钟声一样清晰地穿过地球。当它穿过我们的时空区域时,它拉伸和挤压着地球上的每一个人、蚂蚁和科学仪器。现在,研究人员又回过头来研究这个引力波,并在其中发现了隐藏的数据,而这些数据有助于论证一个存在几十年的天体物理学理论。

2017年的引力波是一件大事:天文学家第一次有一个工具可以检测并记录下来,这个工具称为激光干涉仪引力波观测台(LIGO)。天文学家发现,第一个波是两个黑洞在遥远的太空相撞的结果。

现在,一组天体物理学家对这段录音进行了另一项研究,他们发现了一些其他人认为需要几十年才能发现的东西:对“黑洞无毛定理”的精确论证。这一黑洞理论至少可以追溯到20世纪70年代,斯蒂芬•霍金曾对这一理论进行了严格证明。

麻省理工学院物理学家、论文第一作者马克西米利亚诺·伊西(Maximiliano Isi)说,当物理学家说黑洞没有“毛发”时,他们的意思是,天体物理对象非常简单。黑洞之间只有三个不同之处:自旋速率、质量和电荷。在现实世界中,黑洞的电荷可能相差不大,所以它们实际上只在质量和自旋方面有所不同。物理学家称这些光秃秃的物体为“克尔黑洞”。

伊西告诉Live Science,没有“毛发”的黑洞与宇宙中的其他物体非常不同。例如,当真正的铃声响起时,它会发出声波和一些无法察觉的、令人难以置信的微弱引力波。但这是一个更复杂的对象。钟是由一种材料制成的,例如(青铜器或铸铁),而根据无毛模型,黑洞都是均匀的奇点。每一个钟都有一个独特的形状,而黑洞都是无限小的、无量纲的点,在空间中被球形事件视界所包围。钟的所有这些特征都可以从它发出的声音中检测出来 -如果你对钟和声波有所了解的话。伊西说,如果你能以某种方式感知钟的引力波,你就能发现它在钟的组成和形状上的差异。

“整个事情的秘诀在于波形 —— 这种拉伸和挤压的模式 ——编码了源的信息,也就是产生引力波的东西。”他告诉Live Science。

伊西说,研究2017年引力波的天文学家对引发它的黑洞碰撞了解了很多。

但录音很微弱,而且不是很清晰。 LIGO是世界上最好的引力波探测器,它使用激光测量华盛顿州L形排列中相距2.5英里(4公里)的镜子之间的距离。 (类似的探测器Virgo也在意大利探测到了这种引力波。)当引力波在LIGO上空翻滚时,它扭曲了时空本身,并非常轻微地改变了这个距离。但伊西说,这些引力波的细节不足以让探测器记录下来。

“但这就像我们从很远的地方聆听一样。”伊西说。

当时,引力波提供了大量信息。黑洞的行为和预期的一样。伊西说,没有明显的证据表明它没有事件视界(没有光可以逃脱的区域),并且它没有明显偏离无毛定理。

但研究人员无法确定其中的许多观点,尤其是无毛定理。 伊西说,研究波形中最简单的部分是在两个黑洞合并为一个较大的黑洞之后。它持续响了一段时间,非常像一个被敲击的钟,将多余的能量作为引力波送入太空 - 天体物理学家称之为“铃宕”过程。

当时,研究LIGO数据的研究人员发现了振铃中只有一个波形。研究人员认为,仍需要数十年才能开发出足够灵敏的仪器,才能捕捉到铃宕中任何较为安静的弦音。

但是,伊西的一位同事,加州理工学院的物理学家Matt Giesler发现,在碰撞发生后的短暂时期里,撞击的强度足以让LIGO记录下比平常更多的细节。在那些瞬间,波的声音足够响亮,让LIGO听到一个泛音 —— 一个不同频率的第二波,非常像在敲响钟之后微弱泛开的声音。

在乐器中,泛音承载了大部分信息,使乐器具有独特的声音。他说,引力波的泛音也是如此。 伊西说,这个新发现的泛音大大澄清了黑洞振铃的数据。

他说,这表明黑洞至少非常接近克尔黑洞。无毛定理可用于预测泛音的样子; 伊西和他的团队表明泛音几乎与预测相符。然而,泛音的记录并不十分清楚,所以仍然有可能与定理预测的音调有所不同,大约10%。

伊西说,要想达到更高的精度,你需要从黑洞碰撞的波形中提取更清晰的泛音,或者建造一个比LIGO更敏感的仪器。

“物理学就是越来越接近。”伊西说,“但你永远不能确定。”

来自泛音的信号甚至可能不是真实的,而是由于数据的随机波动而偶然发生的。他们报告了泛音存在 “3.6σ置信度”。这意味着大约有6300分之一的几率,泛音不是来自黑洞的真实信号。

伊西说,随着仪器的改进和更多的引力波被检测到,所有这些数字都应该变得更加自信和精确。 LIGO已经进行了升级,使检测黑洞碰撞变得相当常规。根据《物理世界》的报道,计划在2020年中期进行的另一次升级会将其灵敏度提高十倍。

一旦基于太空的激光干涉仪太空天线(LISA)在本世纪30年代中期发射升空,天文学家们应该能够在一定程度上确认黑洞的无毛性,而这在今天是不可能的。

然而,伊西说,黑洞也有可能不是完全光秃秃的,它们可能有跟桃子表层一样的绒毛,很简单,太软太小而我们的仪器很难捕捉到。

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