引力波

引力波02.14.2025元始道長

GW250114，這串代碼中的GW代表時空的漣漪，引力波，而數位則記錄下它抵達地球的日期：2025年1月14日。

這個引力波事件，與十年前LIGO(鐳射干涉引力波天文臺)第一次探測到的引力波事件GW150914有著驚人的相似之處：它們都是來自約十三億光年之外的黑洞併合，且黑洞的品質也都在太陽品質的卅到卌倍之間。

不同的是，十年過去了。隨著探測技術的飛躍進展，尤其是對儀器雜訊的極大壓制，GW250114的信號比當年的首次探測清晰得多。

LIGO的Hanford探測器記錄的引力波信號。顯示十年前首次探測到的引力波事件GW150914，下圖則是在2025年捕獲的GW250114。圖中紫色的線表示的是觀測到的資料，包含兩個部分：引力波信號和探測器的背景雜訊。這些雜訊有多種來源，比如會讓LIGO內的巨大鏡子抖動的地震活動。綠色曲線則表示基於廣義相對論的最佳擬合預測，即理論上，我們期望看到的引力波信號。從圖中可以看到，最新的觀測雜訊大幅降低，這得益於LIGO探測器的一系列尖端改進，它們有效地壓制各種不需要的雜訊。(圖/LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC))

在一項剛發表於物理評論快報的研究中，研究人員在分析完GW250114信號後，得出兩個意義非凡的結論：它不僅證實併合黑洞的性質與克爾(Kerr)黑洞的性質一致，還驗證霍金在半個世紀前提出的黑洞面積定理。

一、旋轉的黑洞  

對於大品質恒星而言，黑洞是它們演化的最後階段。黑洞有著極端的引力，以至於任何東西(包括光)一旦跨入它的事件視界，都將無法逃脫。

當宇宙中的兩個黑洞併合時，新形成的黑洞不會立即靜止，而是像被敲響的鐘或鼓一樣振動，並釋放出一種獨特的引力波聲音。如果我們能夠測量到一個或多個這樣的聲音，就可以檢驗黑洞是否是一個克爾黑洞，即廣義相對論所預測的，只由品質和自旋兩個參數完全決定的旋轉黑洞。

當兩個黑洞相撞、併合時，會釋放出引力波。地球上足夠靈敏的探測器可以捕捉到引力波信號，從而解讀出黑洞的品質和自旋。(圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

我們可以用樂器來理解黑洞的聲音。不同的樂器(比如鐘、鼓、吉他)因為形狀和材料不同，會發出截然不同的聲音。此外，聲音還取決於樂器受到擾動的方式：比如用鼓槌敲鼓和用刷子掃鼓，發出的聲音也是不同的。

同樣，克爾黑洞只能發出一組特定的聲音，而這些聲音的頻率和持續時間，僅由它的品質和自旋決定。擾動只會激發其中的一部分聲音，但如果能測到多個聲音，就可以相互對照，檢驗它們是否來自同一個克爾黑洞。

在這項新研究中，研究人員首次高置信度地確認：GW250114事件中併合形成的黑洞，至少發出兩種預測中的聲音，而且它們的頻率與理論預期完全一致。這一結果有力地證明，最終形成的黑洞確實是一個簡單的克爾黑洞。

在新研究中，從泛音計算出的品質和自旋，與基音計算出的品質和自旋完全一樣。(圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

二、霍金的面積定理 

來自黑洞併合的引力波信號，也為檢驗黑洞面積定理(也被稱為黑洞熱力學第二定律)提供機會。1971年，霍金提出這個定理，其核心思想是：黑洞事件視界的總表面積，永遠不會隨著時間推移而減少。

當兩個黑洞併合時，它們的品質會相加，從而會增大表面積。但與其同時，在併合過程中會釋放引力波，帶走一部分能量。另外，新形成的黑洞可能獲得更高的自旋，而自旋越快，黑洞的表面積反而會相對減小。儘管存在這些相反的影響，但面積定理告訴我們：無論如何，黑洞的總表面積都必須增加。

之後，霍金和物理學家Jacob Bekenstein提出，黑洞的面積與它的熵(即無序程度)成正比。這一發現不僅加深我們對黑洞的理解，也為未來探索量子引力理論，試圖統一廣義相對論和量子力學的理論，奠定重要基礎。

在這項研究中，科學家們經由精確分析併合後鈴宕階段的引力波信號，測量出新黑洞的品質和自旋，並據此計算出它的表面積。結果表明，最終黑洞的表面積確實比併合前兩個黑洞的總和更大，與霍金半個世紀前的預測完全一致。

黑洞的表面積是由其事件視界定義的，並且與黑洞品質的平方成正比。比較併合前後的黑洞表面積，研究人員確認表面積確實增加了，從而支持霍金的理論。(圖/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

事實上，這是第二次檢驗黑洞面積定理。第一次是在2021年，但由於當時的資料不夠清晰，結果的置信度只有95%，但新結果的置信度達到99.999%。

三、引力波天文學的時代

十年前，人類第一次聽見了引力波，為人們觀察宇宙打開一扇全新的視窗。透過這扇視窗，人們已經收穫許多令人振奮的發現。而今天，借助不斷精進的探測技術，人們聽得更清晰、看得更深入。可以預見，真正屬於引力波天文學的時代，才剛剛拉開帷幕。