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黑洞碰撞证实了爱因斯坦和霍金几十年前的预测

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雅格布·普里斯科

2025年9月12日更新

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一个艺术家对GW250114的印象，这是天体裁家夙昔所未有的细节不雅察到的两个黑洞之间的苍劲碰撞。

奥罗尔·西蒙内(SSU/埃德温)/LVK/URI

天体裁家夙昔所未有的细节探伤到了两个黑洞之间的碰撞，为这些世界奇异气候的实质提供了迄今死心最了了的视图，并证实了听说物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和斯蒂芬·霍金历久以来的预测。

这一事件被定名为GW250114，于1月份为东谈主所知，那时商酌东谈主员用激光干与引力波天文台(LIGO)发现了它——这是一套两个疏浚的仪器，区分位于路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。这些仪器探伤到了引力波，这是两个黑洞互相撞击时在时空中产生的幽微波纹。

寻找引力波，1915年当作爱因斯坦相对论的一部分预测的气候，是识别来自地球的黑洞碰撞的唯独册领。爱因斯坦以为这种波太弱了，东谈主类工夫永恒无法捕捉到，关联词2015年9月，LIGO记载下来这是第一次，其后有三位科学家赢得了诺贝尔奖，他们为这项商酌的发展作念出了焦虑孝顺黑洞千里镜.”

哥伦比亚大学天体裁助理素养、纽约市熨斗商酌所计较天体物理中心的天体物理学家Maximiliano Isi说，新探伤到的黑洞每个皆是太阳质料的30到35倍，它们旋转得特别慢。全军谍报局诱骗了一个新的商酌LIGO-处女座-卡格拉合营的GW250114数据，周三发表在《物理辩论快报》上。

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Isi说:“这些黑洞距离咱们大致10亿光年，它们险些所以一个完满的圆圈围绕着相互启动。”。由此产生的黑洞大致是太阳质料的63倍，它以每秒100转的速率旋转

凭据Isi的说法，这些特征使得此次归并险些是10年前第一次打破性检测的精准复制。“关联词目下，因为从那时起仪器还是纠正了这样多，咱们不错更了了地看到这两个黑洞，因为它们相互聚首，归并成一个，”他补充谈。

Isi默示，这一不雅察让科学家对“空间和时辰的能源学”有了全新的意志。

爱因斯坦和双色禁止

LIGO号还有两个较小的姊妹仪器——意大利的处女座和日本的卡格拉——由一家寰球科学公司科罚社区大致1600名商酌东谈主员。它的责任旨趣是检测由引力波引起的轻浅空间蔓延，正如Isi所说，这终点于“比原子核半径小1000倍的距离变化”。迄今死心，科学家还是用它不雅察了300屡次黑洞归并。

本年早些时候，该仪器检测到最大质料的黑洞碰撞迄今死心，两个黑洞之间的质料大致是太阳的100到140倍。

自初次亮相以来，LIGO的一些要津部件——包括激光器和镜子——还是升级，以擢升精度和镌汰布景杂音。这种性能的擢升使其新的不雅测恶果比十年前的初次不雅测恶果精准了三倍多。

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通过退换成音频的引力波数据听到这些世界碰撞源泉:LIGO/德里克·戴维斯(URI)

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这种前所未有的了了度使天体裁家粗略使用GW250114来证实几十年前由著名物理学家作念出的对于黑洞的预测。

第一个预测是由新西兰数学家罗伊·克尔在1963年漠视的，修复在爱因斯坦的广义相对论基础上，并指出黑洞应该是由一个方程描摹的矛盾的简短物体。

“是的，黑洞特别微妙，复杂，对世界的演化有着焦虑的意旨，”Isi说，“但从数学上来说，咱们以为它们应该只用两个数字来绝对描摹。对于它们的一切皆应该来自黑洞有多大——或者它的质料有多大——以及它旋转的速率有多快。”

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为了测试这一表面，商酌东谈主员使用了黑洞碰撞的一个独到特征:最终黑洞产生的“铃声”或振动——就像被敲响的钟。“要是你有一个钟，你用锤子敲它，它就会响，”Isi指出。“声息的音高和捏续时辰，声息的特征，告诉你一些对于钟是由什么构成的。黑洞也发生了雷同的事情——它们在引力波中酿成环状。”

Isi补充说，这种环包括黑洞过甚周围空间的结构信息。固然这种气候夙昔被恍惚不雅察到，但GW250114复返了一个具有“两种格式…一种基模和一种泛音”的信号，了越过多。

“咱们细则了这个环的两个构成部分，这使咱们粗略测试这个黑洞是否的确合乎只用两个数字来描摹，质料和旋转，”他说。“这是咱们默契空间和时辰若何运作的基础——在某种进程上，这些黑洞应该是无特征的。这是咱们第一次粗略如斯令东谈主笃信地看到这少许。”

霍金名义积定理

GW250114证实的第二个预测是英国物理学家斯蒂芬·霍金在1971年作念出的一个预测，该预测指出，当两个黑洞归并时，产生的名义积必须就是或大于原始黑洞的名义积。

“这是一个深入但特别简短的定理，它标明黑洞的总名义积永恒不会减少——它只会变大或保捏不变，”Isi说。

尽管先前的LIGO不雅测提供了初步的证明Isi说，这个新信号的了了性给了商酌东谈主员无与伦比的信心。

在此次对GW250114事件的模拟中，引力波的大小不断增长，跟着黑洞的归并而达到峰值，然后跟着新酿成的残余黑洞的千里降而赶快下落。

黛博拉·费格森/德里克·戴维斯/罗布·科因(URI)/LIGO/玛雅合营

“因为咱们粗略在早期识别来自黑洞的信号部分，因为它们相互分离，咱们不错从中算计它们的区域，”他解释谈。“然后咱们不错不雅察来自临了一个黑洞的信号的临了部分，并测量它我方的面积。”

就像克尔方程相通，霍金定理也以爱因斯坦的责任为基础:“爱因斯坦的表面就像这一切的操作系统，”Isi解释谈。

基普·索恩是LIGO孝顺奖的三位获奖者之一，他说霍金一得知2015年引力波探伤就打电话给他，接头LIGO是否粗略测试他的定理。索恩在一份对于新发现的声明中谈到这位于2018年升天的受东谈主尊敬的物理学家时说:“要是霍金还辞世，他会酣醉于看到归并黑洞的面积增多。”。

Isi说，这一创始性的表面责任在几十年后被先进的仪器所证实，这诟谇常了不得的。他补充说，证实霍金的方程可能会对物理学中一个特别受接待的想法产生影响——将描摹引力的广义相对论与波及亚原子世界的量子力学勾通起来。

“LIGO创造了一个全新的天体裁分支。它透彻调动了咱们对精熟物体的主见，独特是黑洞，”他说。“在LIGO开启之前，东谈主们以致不细则黑洞会以这种形势归并、碰撞和酿成。”

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这张图表描摹了自2015年LIGO初次探伤到一双碰撞黑洞发出的引力波以来，LIGO-处女座-卡格拉(LVK)汇聚的发现。

（好意思国）加利福尼亚理工学院

期待已久的里程碑

莫得参与这项商酌的约翰·霍普金斯大学物理学和天体裁素养伊曼纽·伯蒂说，引力波特别幽微，探伤它们的弘大任务频繁被描摹为大海捞针。他将LIGO探伤器描摹为匡助这一进程的“助听器”。

他在一封电子邮件中说:“一大群科学家花了十年时辰来纠正这些助听器，目下咱们不错以更高的了了度'听到’信号。”"咱们目下不错测试十年前无法测试的重力基本旨趣."

他补充说，在这些原则中，有一个不雅点是黑洞是世界中最简短的宏不雅物体。GW250114碰撞产生的“振铃”的翔实进程意味着科学家不错自信地说，最终的物体与爱因斯坦广义相对论预测的黑洞一致，Berti说这是“相适时东谈主振作的”。

英国南安普顿大学的数学物理学素养Leor Barack也莫得参与这项商酌，他指出，在LIGO记载的300多个黑洞归并事件中，最新的一个“独特引东谈主细心”，并称这项新商酌是一项期待已久的分析。巴拉克补充说，当残余黑洞最终酿成时，科学家们粗略索要出其中的两种“纯音”。

“除了主音以外，这第一次包括了第一个'泛音’的了了索要，一个振铃孔的幽微和洽的声息，”他说。"这种测试是迄今死心最精准的，远远高出其他测试。"

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智利安德烈斯·贝洛大学天体物理商酌所助理素养马卡雷纳·拉戈斯说，这项商酌代表了引力波天体裁的一个焦虑里程碑。拉各斯也莫得参与这项责任。

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她容许在“振铃”黑洞中检测到第二个曲调独特焦虑，并补充说GW250114讲授了LIGO正在进行的纠正的凯旋，并标明引力波检测不错夙昔所未有的形势测试基础物理。

拉各斯在一封电子邮件中说，“固然目下的重力测试仍有很大的不细则性，但这项责任为异日的探伤奠定了基础”，预测异日几年的质料会更好。"这些异日的不雅测有望为咱们对时空和重力的默契提供更精准的测试."

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