姜啟明
姜啟明
【新三才首發】回到2017年，重力波就像鐘聲一樣響徹地球。當它穿過我們的太空時，它拉伸並擠壓了地球上的每個人、螞蟻以及科學儀器。現在，研究人員已經回過頭來研究這個波，並在其中發現了隱藏的數據 —— 這些數據有助於確認數十年前的天體物理學概念。
這個2017年發現的重力波是一件大事：天文學家第一次有工具可以偵測並記錄它的通過，稱為雷射干涉儀重力波觀測台（LIGO）。他們發現，第一個重力波是兩個黑洞在太空的遠處碰撞的結果。而現在，一個天體物理學家團隊又重新審視了記錄，並發現了其他人認為需要幾十年才能發現的東西：精確地確認「無毛定理」。黑洞理論的這一重要特性至少可以追溯到20世紀70年代 —— 這是史蒂芬霍金一直備受質疑的理論。
當物理學家說黑洞沒有「頭髮」時，麻省理工學院的物理學家，也是該論文的第一作者馬克西米利亞諾伊西（Maximiliano Isi）說，他們的意思是天體物理學的對象非常單純。黑洞僅在三個方面彼此不同：旋轉速率，質量和電荷。而在現實世界中，黑洞的電荷可能差別不大，因此它們實際上只有在質量和旋轉方面有所不同。物理學家稱這些禿頭物為「克爾黑洞」。
Isi告訴《Live Science》網誌說，無毛讓黑洞與宇宙中的其他物體大不相同。例如，當一個真正的鐘聲響起時，它會發出聲波和一些無法察覺的、令人難以置信的微弱重力波。但黑洞則是一個更複雜的對象。鐘是由一種材料製成的，例如青銅或鑄鐵，而根據無毛模型，黑洞都是均勻的奇點。每個鐘也有一些獨特的形狀，而黑洞在空間中是無限小的無量綱點（無因次點），由球形事件視界所包圍。鐘的所有特徵都可以在它發出的鈴聲中偵測出來 —— 至少如果你對鐘和聲波有所了解的話。Isi說，如果你能以某種方式偵測鐘的重力波，你就會發現鐘的成分和形狀的差異。
「這整件事的秘密就在於波形 —— 這種拉伸和擠壓的模式 —— 對信息源進行編碼，造就成了這種重力波」，他告訴《Live Science》說。
Isi說，天文學家研究2017年的波，從中學到了很多關於催生出黑洞碰撞的知識。
但記錄很微弱，而且並不詳細。LIGO是世界上最好的重力波探測器，它使用雷射光測量華盛頓州L形圖案中相距2.5英里（4公里）的鏡子之間的距離。（Virgo，一個在意大利的類似探測器，也偵測到了）。當重力波經過LIGO時，它扭曲了時空本身並且稍微改變了鏡子之間的距離。但Isi說，這些重力波的細節不足以讓探測器記錄下來。
「但這就像我們在很遠的地方聆聽一般」，Isi說。
當時，重力波提供了大量信息。黑洞的表現與預期一致。Isi說，沒有明顯的證據表明它沒有事件視界（沒有光可以逃脫的區域），並且它沒有明顯地偏離無毛定理。
但研究人員無法確認其中的許多觀點，尤其是無毛定理。Isi說，研究波形中最簡單的部分是在兩個黑洞合併為一個較大的黑洞之後。它持續響了一段時間，非常像一個被敲擊的鐘，將多餘的能量以重力波的方式送入太空 —— 天體物理學家稱之為「響鈴」的過程。
當時，研究LIGO數據的研究人員發現了響鈴中只有一個波形。研究人員認為，可能需要數十年才能開發出足夠靈敏的設備，以便在鈴聲中提取比較安靜的泛音。但是，Isi的一位同事，加州理工學院的物理學家Matt Giesler發現，在碰撞發生後的短暫時期裡，鈴聲非常激烈，使得LIGO記錄的細節比往常更多。在那些時刻，波足夠響亮，使得LIGO提取得到了一個泛音 —— 一個不同頻率的波，非常像在敲響鐘聲時攜帶的微弱的二次音符。
在樂器中，泛音攜帶有大部分信息，使得樂器具有獨特的聲音。Isi說，重力波的泛音也是如此。這個新泛音的發現大大澄清了黑洞響鈴的數據。
他說，這表明至少黑洞非常接近於「克爾黑洞」。無毛定理可用於預測泛音的樣式，Isi和他的團隊表明泛音幾乎與預測值相符。然而，泛音的記錄並不十分清晰，所以仍然有可能與定理所預測的約有10%的差異。
Isi說，為了得到更高的精確度，你需要從黑洞碰撞的波形中提取更清晰的泛音，或者構建比LIGO更敏感的儀器。
「物理學越來越接近了」，伊西說，「但你永遠也無法確定」。
來自泛音的信號甚至可能不是真實的，而是由數據的隨機變動造成的微量變化而產生。他們報告了泛音存在有「3.6σ可信度」。這意味著大約有6,300分之一的機率，泛音不是來自黑洞的真實信號。
Isi說，隨著儀器的改進和更多的重力波被偵測到，所有這些數據都應該變得更加可信和精確。LIGO已經通過升級，使得偵測黑洞碰撞常規化。根據《物理世界》的說法，計劃在2020年中期進行另一次升級，這應該能將其靈敏度提高十倍。一旦太空雷射干涉儀空間天線（LISA）在20世紀30年代中期發射後，天文學家應該能夠確認至今仍無法確定的黑洞無毛程度。
然而，Isi說，黑洞也有可能沒有完全禿頂 —— 它們可能會有一些量子毫毛，它們單純的因為太軟與太短至使我們的儀器無法探知。
（編譯：心宇）
（責任編輯：姜啟明）
（文章來源：新三才首發）
