激光束的微小摆动已证实，黑洞在碰撞时会发出巨大的、如钟声般的回响能量。
哥伦比亚大学和致力于资助科学的非营利组织 Simons Foundation 的天文学家 Max Isi 说：“这是宇宙中最强大的事件，因为在五分之一秒内，你就会将相当于三个太阳的质量粉碎，并将其转化为能量。”
这些探测帮助数百名科学家检验了阿尔伯特·爱因斯坦和史蒂芬·霍金提出的关于相对论和黑洞的基本理论。
Isi 说：“这个过程遵循了我们认为黑洞应该遵循的一个非常重要的原则。”
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发出“钟声”的黑洞
这些发现得益于激光干涉引力波天文台 (LIGO)，它实际上是位于华盛顿州和路易斯安那州的两个不同设施。这两个设施都位于远离噪音的偏远地区。在美国，它们通过将激光射向分束器来运行，分束器由量子光学驱动，将激光重定向成 L 形。分束后的激光束沿着通道传播，撞击约 2.5 英里（4 公里）远的镜子。
如果没有引力波存在，另一侧就不会有光透出。然而，当引力波穿过它们时，一个臂会比另一个臂暂时且可测量地变短。
2015 年，LIGO 设施的科学家首次探测到一种由两个黑洞碰撞产生的“钟声”信号。
Isi 说：“不到 10 年后，我们几乎每天都能看到它们，这真是太令人惊叹了。”
最终，在 2025 年 1 月 14 日，设施的科学家探测到了他们迄今为止见过的最清晰的黑洞碰撞信号。它离我们更近，大约有十亿光年远。
在最近发表于《物理评论快报》的一项研究中，Isi 和他的合作者描述了这种摆动信号如何与霍金和另一位从事黑洞理论研究的物理学家 Roy Kerr 的理论相关。这项研究涉及 LIGO 和两个互补设施——日本的 KAGRA（神冈引力波探测器）和意大利的 Virgo 干涉仪的近 1000 名作者。
什么是发出“钟声”的黑洞？
黑洞拥有巨大的能量。当它们碰撞合并时，它们周围的时空会被扭曲，产生一种涟漪，这种涟漪的传播方式与钟声发出的声波类似。
这些涟漪以引力波的形式表现出来，引力波具有非常特定的频率和持续时间，科学家们已经熟练掌握了在 LIGO、KAGRA 和 Virgo 等设施中探测它们。就像声波可以告诉听众有关钟的大小一样，引力波也可以告诉科学家有关其产生者的一些特性。
根据 Kerr 的说法，黑洞是简单的天体，仅通过质量和自旋即可描述。Isi 及其同事认为，对这些引力波“钟声”的分析提供了强有力的证据，证明了这一点。
根据这些设施中激光的干扰情况，研究人员探测到了 2025 年 1 月碰撞前的两个黑洞，以及合并后形成的一个较大的黑洞。所有这些过程都发生在大约五分之一秒内，之后是持续约 10 毫秒的“钟声”。
Isi 说：“这些黑洞似乎与我们在理论中看到的一致。”
证明爱因斯坦和霍金的理论
爱因斯坦并未直接预测黑洞的存在，但其他科学家利用他的广义相对论预测了它们的存在。
与此同时，霍金认为黑洞只能不断增大。这意味着它们事件视界——光线进入后无法返回的边界——的内部区域只会不断增大。
霍金本人认为，LIGO 于 2015 年开始探测到的黑洞合并事件可能最终会证实他的理论，但他于 2018 年去世。在接下来的几年里，测量方法得到了改进。然后，在 2025 年 1 月 14 日，当一个相对较近的黑洞碰撞信号传到地球时，Isi 和他的同事们得以证实了这一点。
在该事件中，碰撞的两个黑洞的质量都约为 33 个太阳质量。Isi 说，当它们合并时，形成的新黑洞的质量约为 63 个太阳质量——大约损失的三个太阳质量以“钟声”引力波的形式被辐射出去。
霍金的面积定律也与热力学第二定律有关，该定律指出，如果任其发展，熵——基本上是无序度——将总是增加。Isi 说，在黑洞中，事件视界内的面积实际上是无序度的度量，这表明霍金的面积定律和热力学第二定律是相关的。
文章来源
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- LIGO。LIGO 的干涉仪
- 《物理评论快报》。GW250114：检验霍金的面积定律和黑洞的 Kerr 性质
