引力波发现十周年记：黑洞测量的里程碑

北京大学 徐仁新 编译自 Chiara M F Mingarelli.

Physic

本文选自《物理》2025年第11期

引力波天文学进展惊人。在十年前，引力波直接探测还是遥不可及的——那时总在调侃距离成功“还有五到十年”。2015年迎来突破：首次观测到双黑洞并合事件GW150914。此后观测变得常态化，至今已记录了数百例双黑洞并合事件；甚至有证据表明存在纳赫兹频率的引力波背景，其波源很可能是星系中心超大质量双黑洞系统。今年初，LIGO捕获到了迄今最清晰的并合信号GW250114。基于这一信号，LIGO-Virgo-KAGRA(LVK)合作组得出结论：(1)并合前后天体的性质跟旋转克尔黑洞一致；(2)验证了1971年霍金提出的面积定理——黑洞视界的总面积不会减少。这些成果具有里程碑意义。

LIGO探测器捕获的引力波信号示意图。这里展示了双黑洞并合的各个阶段，从起初的旋近到残骸的铃宕。凭借有史以来获得的最高信噪比，LVK合作组能够甄别铃宕阶段的基模和第一高阶模

目前全球有三座公里级干涉仪探测引力波：美国LIGO、意大利Virgo和日本KAGRA。这个新的事件发生于2025年1月14日，在LIGO的两台探测器中产生了清晰的信号。不过Virgo和KAGRA那时未采集数据。在距离、黑洞质量及应变(引力波经过探测器时导致的空间拉伸或压缩)等方面，该事件跟首次探测到的双黑洞并合事件GW150914都类似。两次应变幅度都极其微小，仅10-21量级，相当于一米和银河系直径之比。然而，得益于探测灵敏度的显著提升，信噪比却从2015年的26提升至现在的80，性能改进了三倍多。作为迄今最清晰的双黑洞并合信号，GW250114使得LVK合作组能够更好地检验与强引力场和黑洞相关的理论。

两黑洞刚并合后，其新生残骸并非稳态而是像被击打的钟铃那般振荡。处于这个“铃宕”相的黑洞也辐射引力波，其特征仅依赖于两个参数：质量和自旋。早有预言，铃宕信号由一组“准正模”构成：其中基模寿命最长，较低频的高阶模则衰减较快(见图)。一言以蔽之，这些多模振荡就像拨动琴弦产生的谐振。若测得一个或多个高阶模，人们便可验证残骸是否真的就是广义相对论预言的旋转克尔黑洞。

并合事件还为检验黑洞热力学提供了契机(涉及量子引力、量子力学及热力学等方面)，其中第二定律即霍金的面积定理：黑洞视界总面积不会随时间减少(当然要短于蒸发时标)。通过并合前后分段测量引力波即可检验面积定理。从并合前的旋近信号中可获取两黑洞的质量和自旋，而铃宕阶段可以获取并合后残余黑洞的质量和自旋。通过数据分析，将黑洞质量和自旋换算成面积后，即可验证残留黑洞面积是否大于初始黑洞面积之和。

观测检验霍金面积定理并不新鲜，首次尝试发表于2021年。通过重新分析GW150914的数据，有人声称可能测得了第一高阶模，但这一结论引发了数据分析可靠性的多年争论并陷入僵局。如今，信噪比极高的GW250114信号可成功识别基模和第一高阶模，消除了疑云。通过并合前后信号的独立分析(舍弃此间较难处理的数据)，研究人员给出了初始与最终黑洞的面积，发现GW250114事件以极高置信度符合霍金面积定律。

该结果意义深远。首先，它弥补了提取高阶模信号的潜在漏洞：只要信噪比足够高，高阶模的存在就很显著，明确排除拟合时的人为干扰。其次，避免利用并合后的结论来解释并合前行为这一循环论证，强化了黑洞热力学检验的严谨性。就GW250114而言，旋近阶段的数据用于确定两初始黑洞的面积，而铃宕阶段数据仅用于确定残留黑洞的面积。这一次，通过两阶段的独立分析实现了面积定律的真正检验。

GW250114为整个研究领域树立了新标杆：从搜寻双黑洞并合事件发展至引力理论的精确检验。未来地面引力波探测将升级设备，并在十年内安排两轮观测，探测样本将会不断扩大。让我们见证下一个突破！

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