山东
两个黑洞合并产生的引力波能够穿越宇宙。图片来源：Maggie Chiang
激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到两个黑洞之间异常强烈的碰撞，从而验证了英国理论物理学家斯蒂芬·霍金在50多年前提出的黑洞面积定理。9月10日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。
霍金1971年提出的定理认为，两个黑洞合并时产生的黑洞视界，即连光都无法逃脱控制的边界，其面积不能小于两个原始黑洞的面积之和。该定理与热力学第二定律相呼应，后者指出，熵或物体内部的无序状态永远不会减少。
黑洞合并扭曲了宇宙的结构，产生了被称为引力波的微小时空波动，这些波动以光速穿越宇宙。目前地球上有5个引力波天文台，包括美国的两个LIGO探测器，以及意大利的Virgo探测器、日本的KAGRA和德国的GEO600，它们由一个名为LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）的国际合作组织运营。
最近的这次碰撞被命名为GW250114，与产生2015年首次观测到的引力波的那次碰撞几乎完全相同。这两次碰撞的黑洞质量都在太阳质量的30到40倍之间，且发生在13亿光年之外。
这一次，升级后的LIGO探测器的灵敏度是2015年的3倍，因此能够以前所未有的精度捕获碰撞产生的引力波。研究人员通过计算证实黑洞合并后的视界面积确实变大了，从而验证了霍金的定理。
LVK团队成员、英国朴茨茅斯大学的Laura Nuttall表示，当黑洞碰撞时，它们会产生像钟声一样的引力波。以前，这些引力波消散得太快，无法清晰地观察到进而计算出碰撞前后视界的面积，而这正是检验霍金理论所必需的。2021年对首次探测到的碰撞事件进行的研究以95%的置信度支持了该理论，但新研究将置信度提高到令人信服的99.999%。
在科学家观测引力波的10年里，他们已经记录了大约300次黑洞碰撞。但没有一次像GW250114那样如此清晰地捕获引力波，它的信号是迄今探测到的其他引力波的两倍。
当GW250114的引力波到达地球时，只有LIGO在运行，而LVK合作组织监控的其他探测器都没有运行。但这并不影响检验霍金理论，只是意味着研究人员无法确定这些引力波在宇宙中的起源。
LVK团队成员、朴茨茅斯大学的Ian Harry表示，LIGO和其他计划中的天文台的升级版将在未来上线，这将带来更高的灵敏度，使他们能够更深入地研究黑洞物理学。“我们可能无法捕捉所有信号，但还会再次遇到这样的事件。下一轮升级也许在2028年，我们会看到类似事件，也许那时的灵敏度将达到我们可以真正进行深入探究的程度。”
这些发现为量子引力研究开辟了新道路，物理学家希望通过量子引力统一广义相对论和量子物理学。Nuttall说，最新结果表明，广义相对论和量子力学能够继续很好地协同工作，但未来预计会出现一些差异。
来自LVK的最新数据还使科学家能够证实数学家Roy Kerr在20世纪60年代提出的方程，该方程预测黑洞仅能通过两个指标来表征：质量和自旋。本质上，两个具有相同质量和自旋的黑洞在数学上是相同的。对GW250114的观测显示，这是真的。
来源：《中国科学报》
编辑：任斐
审核：管林忠
终审：韩俊亮
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