解码引力波信号 “音调”和衰减证明无毛定理

在宇宙中，能够吞噬一切光线和物质的黑洞，像一个神秘莫测的影子。百余年来，它频频被人类所“察觉”，却又总是难以理解。4年前，两个黑洞合并产生的引力波信号被捕捉到，科学家将引力波转化成声波，人类开始“听”到黑洞。5个月前，全球多地天文学家同步公布首张黑洞真容，人类终于“看”到了黑洞。

近日，人类再次破译黑洞密码。科研人员在《物理评论快报》刊文称他们“听懂”了一个新生黑洞的“声音”。并发现通过分析这种“发声”模式的特征,可以得到黑洞的质量和自旋。这一结果，与用其他方法分析黑洞合并产生的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋一致，进而证明了爱因斯坦广义相对论是正确的，黑洞作为“秃顶巨人”的无毛定理，也被验证。

“钟响”中包含黑洞属性

100多年前，爱因斯坦的广义相对论曾预言，如果两个黑洞在宇宙中碰撞，会合并产生一个新的黑洞，其诞生后的“振动”，即引力波，就像被撞击的钟一样，产生反向声波向外传播。然而，100多年过去了，新生黑洞及其产生的引力波仍然是个谜团，迟迟未被人类窥探。

2015年9月14日，科学家用美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次探测到，在13亿光年外，两个黑洞相互绕转、扭曲地融合在一起，辐射出携带着黑洞的质量和自旋信息的引力波。这个事件被命名为GW150914。

当科学家们消除探测器噪音并放大引力波信号后，他们观察到了一个波形，该波形在衰减之前会迅速增强。当他们把这个信号转换成声音时，听到了类似“唧唧”的声音。

“引力波发出的‘唧唧’的声音是一种形象的比喻，它的波形和声波很类似。”中科院紫金山天文台宇宙高能粒子加速和辐射研究团组首席科学家刘四明接受科技日报记者采访时说。

在这次探测中，科学家们确定，引力波是由两个巨大黑洞的合并触发的。信号的峰值、“唧唧”声中最响亮的部分，就是两个黑洞碰撞、合并成一个新黑洞的时刻。

在随后的四年间，科学家们经常探测到引力波事件，但却一直未能从中解码黑洞的属性。

刘四明打了个比方，“两个黑洞合并后生成的新黑洞产生的引力波，就像敲钟后的尾音，钟刚刚敲响时的声音最大，然后逐渐衰减。而尾音的频率与钟的大小有关，通过对声音的分析，就可以反推钟的质量、材质等。

层层涟漪具有不同震荡频率

虽然新生黑洞很可能产生了它自己的引力波，但科学家们认为，在两个黑洞最初碰撞的喧闹声中，它的信号“声音”太微弱，无法解读。

然而，研究团队找到了一种新的方法，可以在信号到达峰值后的瞬间提取出黑洞的“声音”。研究小组通过数据模拟，发现当信号到达峰值后，还存在着一种“弦外之音”——一组响亮而短暂的“声音”。当他们将这种“弦外之音”纳入考量，重新分析信号数据后，发现他们可以成功地分离出来一种新的“声音”模式，一种新生黑洞发出的“声音”。

研究人员将这种新技术应用于对GW150914的实际观测数据，分析表明，信号峰值后的几毫秒里，至少存在一种频率更低、衰减更快的“弦外之音”，并确定了两种不同的“声音”模式，每一种“音调”和衰减数据都来源于新生黑洞。

通过数值模拟，科学家们计算出了引力波的演化过程，进而确定了黑洞的质量和自旋。科学家们还利用信号峰值之后的“声音”特征，确定了新生黑洞的质量和自旋。

“我们检测到由多个频率组成的整体引力波信号，这些信号以不同的速率逐渐消失，就像构成声音的不同音高一样。”该论文的第一作者、美国麻省理工学院的研究人员伊西表示，“每个频率或音调都对应于新黑洞的振动频率。”

黑洞为何会发出不同振动频率的引力波?南京航空航天大学副教授李晋斌介绍，黑洞合并初期产生的引力波，就像向湖中投出一枚石子，石子的震荡在湖面形成不同的涟漪，不同的涟漪有不同的振动频率，最初的震荡最剧烈也最快，此时传递的能量也最大。

“此前科学家对于黑洞较平静时的研究较多，对于其合并初期的研究较少，部分原因是以前科学家认为强引力波的振动是来自于很多非线性的模式混合，难以分析、提取，但此次的研究中，‘声音’其实是线性叠加，可以把不同的振动频率分开研究。”李晋斌说。

“音调”和衰减证明无毛定理

在爱因斯坦看来，一个具有一定质量和自旋的黑洞，只能产生特定的“音调”和衰减。

在此次研究中，科学家们利用广义相对论方程，计算了衰减的引力波信号和新生黑洞质量和自旋之间的关系。

通过对观测数据比较，由两个黑洞合并后形成的新黑洞，重量约为68.5个太阳质量。

这一结果，与利用完整的引力波信号得到的新生黑洞的质量和自旋数据一致，也验证了黑洞的“无毛”定理。

美国著名物理学家约翰·惠勒曾预言，黑洞只有三种可观察的特性，即质量、自旋和电荷。形成黑洞的天体，它们的“毛发”，即其他特征，都应该被黑洞吞噬。

但是，黑洞是否有“毛发”，学者们已经争论了几十年。爱因斯坦也提出了一种方法来检验这一理论，当两个黑洞碰撞并形成一个新的黑洞时，产生的引力波在时空中引起涟漪，关于新生黑洞的质量和自旋属性应该编码在其引力波的一些“音调”中。

此次发表的论文，支持了黑洞“无毛”定理，并给出了黑洞的“发声”模式。这些计算结果与之前其他人对黑洞质量和自旋的测量结果相吻合。

“如果科学家的计算结果与测量结果有明显偏差，就意味着黑洞产生引力波的模式并不仅仅依赖于质量、自旋和电荷，也就证明广义相对论预言的黑洞‘无毛’定理是错的。但恰恰相反，此次研究证明了利用引力波的特定频率和衰减率可以测算出黑洞的质量和自旋。”刘四明说。

不过，李晋斌认为，虽然这是第一个直接验证“无毛”定理的实验测量，但受制于目前的观测、分析工具和分析能力，并不意味就此证明了所有黑洞都没有“毛发”。

刘四明认为，如果存在量子效应，爱因斯坦的理论可能会不够准确。正如牛顿的引力理论在试图描述合并黑洞时完全不适用。

但是，随着LIGO分辨率的提高以及未来更灵敏的仪器上线，研究人员将能够使用这个方法“听到”更多其他新生黑洞的“声音”。

“未来，我们将在地球和太空中拥有更好的探测器，并且不仅可以看到两个，还可以看到数十种模式，并精确地测量出它们的属性。”伊西说，“如果这些不是黑洞，如果它们是像虫洞或玻色子星更奇特的物体，它们可能会以不同的方式响起，我们将有机会‘听到’它们。”(金凤)