利用双星黑洞合并的引力波观测验证无发定理

拓破天峙

这些图显示了GW190521中形成的剩余黑洞的环道模式的频率和阻尼时间的概率分布。中间的面板(“范围A”)是主导模式，而右边的面板(“范围B”)显示了新发现的模式，与广义相对论的预测非常一致(显示为虚线轮廓)。左图(“范围C”)是一个低频范围，主要是噪声，没有天体物理信号。学分:拉德布大学

（）据拉德布大学：包括拉德布大学巴德里·克里希南教授在内的一个国际研究小组利用引力波观测验证了黑洞的一个重要特性，即无毛定理。他们的研究发表在《物理评论快报》杂志上。

黑洞是极其简单的物体，这是自然界的一个显著事实。事实上，我们宇宙中的每个黑洞都完全由两个数字来描述:它的质量和角动量(或“自旋”)。对于由复杂得多的物质分布组成的普通恒星或行星来说，这是不正确的。

就像任何其他恒星一样，黑洞也有“准正常模式”这是大多数读者所熟悉的钟的属性:当被锤子敲击时，钟发出一系列的音调，这些音调随着时间慢慢消失。这些音调是由许多因素决定的，如钟的形状、构成钟的特殊材料等。

无毛定理

以类似的方式，一个被扰动的黑洞发出一个引力波信号的特征频谱，该频谱具有特定的频率，并随着时间的推移逐渐消失。根据无发定理，黑洞的准正常模式光谱必须高度受限，因为整个光谱也必须由两个数字决定。

因此，当我们接收到来自一颗至少包括两个准正常模式的恒星的引力波信号时，我们可以利用这一特性来确定它实际上是否是一个黑洞。

数据中的惊喜

为了验证黑洞的这一特性，该团队重新分析了来自一个名为GW190521的二元黑洞合并事件的引力波信号的数据。这一事件是由LIGO和处女座天文台在2019年5月探测到的。

使用更敏感的技术，他们发现了隐藏在数据中的惊喜:早期分析遗漏了第二个弱得多的准正常模式。这是一个重大的惊喜，因为人们认为这种探测需要更灵敏的探测器，而这些探测器要到21世纪30年代中期才能获得。

广义相对论

“20多年前，我们提出了这样的观察方法，作为检验黑洞本质的一种手段，”巴德里·克里希南说。“当时我们不相信目前的LIGO和室女座探测器能够观测到多种衰荡模式。因此，这些结果对我来说特别令人满意。

“到目前为止，我们没有发现与广义相对论的预测有任何偏差，爱因斯坦仍然是正确的。我们的分析表明，准正常模式的频率和阻尼时间与广义相对论的预测一致。”