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2025年1月14日探测到的引力波事件GW250114，与十年前的首次探测GW150914惊人相似，均来自约13亿光年外的黑洞并合。然而，得益于探测技术的显著进步，GW250114的信号更为清晰，信噪比大幅提升。研究人员基于此信号，高置信度地证实了并合黑洞的性质与爱因斯坦广义相对论预测的克尔黑洞一致，并且验证了霍金在半个世纪前提出的黑洞面积定理。这一发现不仅为理解黑洞提供了强有力证据，也为探索量子引力理论奠定了基础，标志着引力波天文学迈入新篇章。
🌟 **黑洞并合与克尔黑洞的精确证实**：GW250114事件提供了迄今为止最强有力的证据，表明自然界中的黑洞确实是爱因斯坦广义相对论所预测的克尔黑洞。通过对并合后“铃宕”阶段引力波信号的精确分析，研究人员识别出至少两种预测中的声音（基频模式和高频泛音），它们的频率和衰减率与克尔度规的预测完美吻合，证实了黑洞仅由质量和自旋两个参数决定。
📈 **霍金黑洞面积定理的有力验证**：此次观测结果再次确认了霍金在1971年提出的黑洞面积定理，该定理指出黑洞事件视界的总表面积不会减少。通过测量GW250114事件后新形成的黑洞的质量和自旋，计算出的表面积确实大于并合前两个黑洞的总和，其增加幅度与广义相对论的理论预言高度一致，且置信度极高（99.999%），远超以往的观测。
🔭 **引力波天文学的新里程碑**：GW250114事件的清晰信号，得益于过去十年LIGO、Virgo和KAGRA（LVK）合作组在抑制仪器噪声方面取得的巨大技术进步。这使得科学家们能够以前所未有的精度“听见”并合后的“铃宕”声，从而深入理解黑洞的性质。此次发现标志着引力波天文学进入了一个能够进行更精细观测和验证基本物理理论的新时代。
不二北斗 2025-09-29 08:01 北京
基础物理大突破
GW250114，这串代码中的“GW”代表了时空的涟漪——引力波，而数字则记录下它抵达地球的日期：2025年1月14日。这个引力波事件，与十年前LIGO（激光干涉引力波天文台）第一次探测到的引力波事件GW150914有着惊人的相似之处：它们都是来自约13亿光年之外的黑洞并合，且黑洞的质量也都在太阳质量的30到40倍之间。不同的是，十年过去了。随着探测技术的飞跃进展——尤其是对仪器噪声的极大压制——GW250114的信号比当年的首次探测清晰得多。研究人员在分析完GW250114信号后，得出了两个意义非凡的结论：它不仅证实了并合黑洞的性质与克尔（Kerr）黑洞的性质一致，还验证了霍金在半个世纪前提出的黑洞面积定理。
2015年9月14日，人类首次直接探测到双黑洞并合引力波事件GW150914，开启了引力波天文学的新纪元。十年来，LIGO、Virgo与KAGRA（LVK）通过抑制激光干涉仪中的经典与量子噪声，大幅提升了探测灵敏度，如今已能平均每三天观测到一次黑洞并合事件。迄今为止，LVK共探测到约300例黑洞并合，其中约220例是在最近一轮科学运行中发现的候选事件，数量超过前三轮总和的两倍。在这一背景下，2025年1月14日到达地球的引力波事件GW250114成为十周年的里程碑发现。该信号与十年前的GW150914类似，来自两颗约30–40倍太阳质量的黑洞并合，距离地球约13亿光年。但得益于技术进步，GW250114信号比GW150914清晰三倍以上，信噪比高达80，使得我们得以前所未有地“听见”并合后的铃宕（Ringdown）。“克尔黑洞”的本质对于大质量恒星而言，黑洞是它们演化的最后阶段。黑洞有着极端的引力，以至于任何东西（包括光）一旦跨入它的事件视界，都将无法逃脱。当宇宙中的两个黑洞并合时，新形成的黑洞不会立即静止，而是像被敲响的钟或鼓一样振动，并释放出一种独特的引力波“声音”——被称为“铃宕”。如果我们能够测量到一个或多个这样的声音，就可以检验黑洞是否是一个克尔黑洞——即爱因斯坦广义相对论所预测的，只由质量和自旋两个参数完全决定的旋转黑洞。当两个黑洞相撞、并合时，会释放出引力波。地球上足够灵敏的探测器可以捕捉到引力波信号，从而解读出黑洞的质量和自旋。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）我们可以用乐器来理解黑洞的声音。不同的乐器因为形状和材料不同，会发出截然不同的声音。此外，声音还取决于乐器受到扰动的方式：比如用鼓槌敲鼓和用刷子扫鼓，发出的声音也是不同的。同样，克尔黑洞只能发出一组特定的“声音”，而这些声音的频率和持续时间仅由它的质量和自旋决定。扰动只会激发其中的一部分声音，但如果能测到多个声音，就可以相互对照，检验它们是否来自同一个克尔黑洞。在这项新研究中，研究人员首次高置信度地确认：GW250114事件中并合形成的黑洞发出了至少两种预测中的声音，而且它们的频率与理论预期完全一致。研究人员不仅能识别出基频模式，还识别出一种更高频率、衰减更快的振动泛音，而基频和泛音的频率和衰减率都被发现与克尔度规的预测完美吻合——这提供了迄今为止最强有力的证据，证明自然界中的黑洞确实是爱因斯坦广义相对论所预测的、由两个参数决定的优雅天体。在新研究中，从泛音计算出的质量和自旋，与基音计算出的质量和自旋完全一样。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）霍金的面积定理来自黑洞并合的引力波信号，也为检验黑洞面积定理（也被称为黑洞热力学第二定律）提供了机会。1971年，霍金提出了这个定理，其核心思想是：黑洞事件视界的总表面积，永远不会随着时间推移而减少。当两个黑洞并合时，它们的质量会相加，从而会增大表面积。但与此同时，在并合过程中会释放引力波，带走一部分能量。另外，新形成的黑洞可能获得更高的自旋，而自旋越快，黑洞的表面积反而会相对减小。尽管存在这些相反的影响，但面积定理告诉我们：无论如何，黑洞的总表面积都必须增加。后来，霍金和物理学家Jacob Bekenstein提出，黑洞的面积与它的熵（即无序程度）成正比。这一发现不仅加深了我们对黑洞的理解，也为未来探索量子引力理论——试图统一广义相对论和量子力学的理论——奠定了重要基础。在这项研究中，科学家们通过精确分析并合后“铃宕阶段”的引力波信号，测量出新黑洞的质量和自旋，并据此计算出它的表面积。结果表明，最终黑洞的表面积确实比并合前两个黑洞的总和更大，与霍金半个世纪前的预测完全一致。黑洞的表面积是由其事件视界定义的，并且与黑洞质量的平方成正比。比较并合前后的黑洞表面积，研究人员确认了表面积确实增加了，从而支持了霍金的理论。（图/Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation）GW250114并合后的黑洞面积确实大于两个初始黑洞面积之和——从约24万平方公里增加至约40万平方公里。如图所示，黑洞并合前后面积的分布完全落在“面积增加”的区域，与广义相对论预言的约65%增长高度一致。这不仅是对霍金定理的直接观测验证，更为研究黑洞熵与量子引力理论提供了坚实证据。GW250114黑洞并合前后面积的统计分布。横轴为并合后面积Af与并合前面积Ai差的归一化比值。概率分布明显落在零点右侧（面积增加），并与广义相对论的理论预言高度符合，显示面积增加约65%。（图源：LVK 合作组）事实上，这是第二次检验黑洞面积定理。第一次是在2021年，但由于当时的数据不够清晰，结果的置信度只有95%，但新结果的置信度达到了99.999%。十年前，人类第一次“听见”了引力波，为我们观察宇宙打开了一扇全新的窗口。透过这扇窗口，我们已经收获了许多令人振奋的发现。而今天，借助不断精进的探测技术，我们听得更清晰、看得更深入。可以预见，真正属于引力波天文学的时代，才刚刚拉开帷幕。推荐阅读
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