当两个黑洞相撞时，合并成一个更大的黑洞，并像敲响的钟声一样响起，在时空中发出称为引力波的涟漪，嵌入在这些引力波中的是特定的频率或音调，它们类似于音乐和弦中的单个音符。现在，研究人员首次在一个新形成黑洞的“环流”中检测到两个这样的音调。以前，人们假设只能测量一个音调，并且附加的音调，称为泛音，将太微弱而无法用今天的技术检测到。加州理工大学研究生马修·吉斯勒(Matthew Giesler)说：以前，就好像你只用一根弦就能匹配吉他的和弦声音。
Giesler是2019年9月12日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上，这项新研究的第二作者，Giesler是提交给《物理评论X》一篇相关论文的主要作者，该研究论文介绍了用于寻找黑洞产生泛音的技术。这些结果是基于对美国国家科学基金会LIGO（激光干涉引力波天文台）捕获的数据进行重新分析得出，这一结果对阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论进行了一种新的检验。因为合并黑洞经历了破碎的引力，对这些事件的研究，能让研究人员在极端条件下检验广义相对论。
在这个特殊案例中，科学家们测试了广义相对论的一个具体预测：黑洞可以通过质量和自旋速率来完全描述，爱因斯坦的理论又一次通过了测试。加州理工学院理论天体物理学的罗宾逊教授、吉斯勒的顾问索尔·蒂科尔斯基(Saul Teukolsky，博士，73年)说：这种测试早在第一次探测到之前就已经提出了，但很多科学家都认为探测器需要等很多年才能达到足够的灵敏度。这一结果表明，我们可以开始使用今天的探测器开始进行测试，包括泛音，这是一个意想不到的令人兴奋的结果。
LIGO在2015年创造了历史性的发现和证明，在爱因斯坦首次预测引力波100年后，它首次直接探测到了引力波。从那时起，LIGO和它的欧洲伙伴天文台，室女座，已经探测到了近30个引力波事件，这些事件正在进一步分析中。这些引力波中的许多都是在两个黑洞相撞时产生，在太空中发出抖动。一个新的黑洞形成于剧烈的天体物理过程，因此处于动荡状态，然而，它很快以引力波的形式释放出这些多余的能量。作为吉斯勒研究生工作的一部分，他开始研究除了主信号或音调之外，是否还能在当前的引力波数据中检测到泛音。
尽管大多数科学家认为这些泛音太微弱了，专门研究了LIGO第一次探测到引力波的模拟，该模拟来自一次名为GW150914的黑洞合并事件。在合并的最后阶段，也就是所谓的“振铃”阶段，新合并黑洞仍然在颤动。研究发现，响亮但持续时间较短的泛音出现在比之前意识到的更早振铃阶段。康奈尔大学物理学教授的Teukolsky说：这是一个非常令人惊讶的结果，传统的看法是，当残留的黑洞安顿下来，任何音调都可以被探测到时，这些音调几乎已经完全衰减了。相反，事实证明，在主音变得可见之前，泛音是可以检测到的。
新发现的泛音帮助研究人员测试黑洞“无毛”定理，除了质量或自旋之外，没有其他特征或“毛”。新结果证实了黑洞无毛，但科学家怀疑，未来对该理论的测试可能会显示出不同情况。在该理论中，更详细的观测结果被用来探测黑洞合并。如果存在量子效应，爱因斯坦的理论可能会崩溃。牛顿引力理论通过了许多引力弱的测试，但在描述引力最极端时，比如试图描述合并黑洞时，完全失败了。同样，当我们最终以越来越高的精度探测来自黑洞的信号时，有可能有一天，即使是广义相对论也有可能在测试中失效。
在接下来的几年里，LIGO和室女座的升级计划将使天文台对引力波更加敏感，揭示出更多隐藏的色调。加州理工大学物理学教授、LIGO实验室成员艾伦·温斯坦(Alan Weinstein)说：一个事件越大，声音越大，LIGO就越有可能发现这些暗示。随着LIGO首次探测到引力波，我们证实了广义相对论的预测。现在，通过搜索被称为高阶模式的泛音，甚至更微弱的信号，科学家们正在寻找对该理论的更深层次测试，甚至是该理论崩溃的潜在证据。渐渐地，黑洞将揭开它们的奥秘，彻底改变我们对引力、空间和时间的理解。
博科园｜研究/来自：加州理工学院
参考期刊《arXiv》《物理评论快报》
Cite:arXiv:1903.08284
Cite:arXiv:1905.00869
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