2025年1月14日,科学界迎来一项里程碑式的突破,探测到了有史以来最强大的引力波信号,其强度是2015年首次探测到的信号的三倍。这一被称为GW250114的宇宙事件,源于两个质量约为太阳30倍的黑洞在13亿年前的碰撞与合并。此次探测的信号清晰度极高,使得科学家们能够以前所未有的精度验证物理学界两大巨擘——阿尔伯特·爱因斯坦的黑洞简洁性理论(也称“无毛定理”)和斯蒂芬·霍金的面积定理。
这项发表在《物理评论快报》上的发现标志着引力波天文学新纪元的开启,为检验基础物理学提供了前所未有的机会。激光干涉引力波天文台(LIGO)的探测器经过显著升级,GW250114信号的信噪比高达80,是2015年历史性探测的三倍。此次探测的清晰度让研究人员能够深入分析新形成的黑洞在合并后的“铃响”阶段,即新黑洞如同被敲响的钟一样振动的过程。科学家们首次识别出两个独立的振动频率,这有力地证实了黑洞的行为与爱因斯坦广义相对论方程的预测一致,误差在30%以内。这为黑洞遵循地球上观察到的物理定律提供了直接证据。
此外,研究结果也证实了斯蒂芬·霍金的面积定理,该定理指出黑洞的事件视界面积绝不会减小。研究人员测量了原始黑洞的表面积,并与最终合并后黑洞的表面积进行比较,证明了合并后黑洞的事件视界比其组成部分之和更大,这与霍金在1971年提出的预测相符。正如马克斯·普朗克引力物理研究所的科学家们所指出的,GW250114是迄今为止最清晰的引力波信号,它使研究人员能够对理论预测进行最严格的检验。
与2015年的首次探测不同,GW250114信号的清晰度得益于LIGO探测器的改进。来自LIGO-Virgo-KAGRA合作组织的研究员马西米利亚诺·伊西(Maximiliano Isi)表示:“这是迄今为止对黑洞性质最清晰的观察。”这些发现也支持了罗伊·克尔(Roy Kerr)对旋转黑洞的数学描述,表明它们可以仅通过质量和自旋来完全描述。随着LIGO频繁探测到黑洞合并事件,引力波天文学的未来充满希望。包括LIGO-India在内的未来探测器升级计划将进一步增强探测宇宙事件的能力。像爱因斯坦望远镜(Einstein Telescope)和宇宙探测器(Cosmic Explorer)这样的下一代天文台,甚至可能在事件发生前几分钟就能探测到合并事件,从而使望远镜能够捕捉伴随的光学现象。
美国国家科学基金会(NSF)的项目主管阿米尔·阿里(Aamir Ali)评论道:“通过这个全新的视角,我们有整个宇宙可以探索,而这些最新的发现表明LIGO才刚刚起步。”GW250114的探测展示了人类的好奇心和技术创新如何能够揭示宇宙最深层的秘密,未来的进步将为黑洞和中子星提供前所未有的细节。