有史以来第一次，科学家检测到新生儿黑洞的响声

麻省理工学院的科学家捕捉到了新形成的黑洞的“环”，以引力波的形式出现在该画家的插图中。

科学家首次检测到新生黑洞的铃声中的音调。结果支持爱因斯坦的理论以及黑洞没有“毛发”的观点。

如果阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论成立，那么黑洞是由两个巨大的黑洞的宇宙震荡相撞而产生的，它自身应该在余波中“振铃”，产生引力波，就像敲钟一样回荡声波。爱因斯坦预测，这些引力波的特定音高和衰减应该是新形成的黑洞质量和自旋的直接特征。

现在，麻省理工学院和其他地方的物理学家研究了婴儿黑洞的振铃，发现这种振铃的方式实际上可以预测黑洞的质量和自旋-更有力的证据表明爱因斯坦一直以来都是正确的。

该发现发表在2019年9月12日的《 Physical Review Letters》上，也支持黑洞缺乏任何“毛发”的想法-一个隐喻，指的是根据爱因斯坦的理论，黑洞应该只表现出三个可观察的特性的想法。 ：质量，自旋和电荷。物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）称其为“头发”的所有其他特征，应该被黑洞本身吞没，因此是无法观察到的。

该小组今天的调查结果支持了黑洞实际上是无毛的想法。研究人员能够识别出黑洞的振铃模式，并使用爱因斯坦方程式，根据给定的振铃模式，计算出黑洞应具有的质量和自旋。这些计算结果与其他人先前对黑洞质量和自旋的测量结果相符。

如果该团队的计算结果与测量结果有很大出入，则表明黑洞的振铃编码的是质量，自旋和电荷以外的属性，这是爱因斯坦理论无法解释的诱人物理学证据。但事实证明，黑洞的铃声模式是其质量和旋转的直接标志，支持了黑洞是秃头巨人的概念，缺乏任何多余的，类似头发的特性。

这项研究的主要作者，麻省理工学院卡夫里天体物理与空间研究所的美国宇航局爱因斯坦研究员马克西米利亚诺·伊西说：“我们都希望广义相对论是正确的，但这是我们第一次以这种方式证实这一点。”“这是成功地直接测试无毛定理的第一个实验测量。这并不意味着黑洞就没有头发。这意味着没有头发的黑洞的照片可以再存活一天。”

chi，已解码

2015年9月14日，科学家进行了有史以来的首次引力波探测，这是由遥远的剧烈宇宙现象产生的时空中的微小波动。名为GW150914的检测是由激光干涉仪引力波天文台LIGO进行的。一旦科学家清除了噪声并放大了信号，他们观察到的波形在消失之前迅速上升。当他们将信号转换成声音时，他们听到了类似“ chi”的声音。

科学家们确定，两个巨大的黑洞的迅速产生激发了引力波。信号的峰值（即the的最大声部分）与黑洞相撞并合并成一个新的黑洞的那一瞬间有关。虽然这个婴儿的黑洞发出了自己的引力波，但物理学家认为它的标志性铃声太微弱，无法在最初碰撞的喧嚣中破译，因此，这种铃声的痕迹只有在峰值之后的某个时间才能识别出来。信号太微弱，无法详细研究。

但是，Isi和他的同事们找到了一种方法，可以从信号峰值后的瞬间提取黑洞的混响。在由Isi的合著者，加州理工学院的Matthew Giesler领导的先前工作中，研究小组通过模拟表明，这种信号，尤其是在峰顶之后的部分，包含“泛音”，即一个响亮而短暂的音调家族。当他们重新分析信号时，考虑到泛音，研究人员发现他们可以成功地隔离特定于新形成的黑洞的振铃模式。

在该小组的新论文中，研究人员将该技术应用于GW150914检测到的实际数据，集中在following的峰值之后的最后几毫秒信号中。考虑到信号的泛音，他们能够辨别出新的婴儿黑洞发出的铃声。具体来说，他们确定了两个不同的音调，每个音调都具有他们能够测量的音调和衰减率。

Isi说：“我们检测到由多个频率组成的整体引力波信号，它们以不同的速率逐渐消失，例如构成声音的不同音高。”“每个频率或音调都对应于新黑洞的振动频率。”

超越爱因斯坦

爱因斯坦的广义相对论预测黑洞引力波的俯仰和衰减应该是其质量和自旋的直接产物。也就是说，给定质量和自旋的黑洞只能产生一定音高和衰减的音调。作为对爱因斯坦理论的检验，该小组使用广义相对论来计算新形成的黑洞的质量和自旋，并给出他们检测到的两个音调的音调和衰减。

他们发现自己的计算结果与黑洞质量和旋转的测量结果相符，而黑洞的质量和旋转是其他人以前进行的。伊西说，这些结果表明，研究人员实际上可以利用引力波信号中最响亮，最容易检测到的部分来辨别新的黑洞的振铃，以前，科学家们认为，这种振铃只能在较暗的端部才能检测到。识别引力波信号并识别许多音调将需要比目前存在的仪器更为灵敏的仪器。

Isi说：“这对社区来说是令人兴奋的，因为它表明了现在可以进行这类研究，而不是在20年之内。”

随着LIGO改善其分辨率，以及将来有更多敏感仪器投入使用，研究人员将能够使用该小组的方法来“听到”其他新生黑洞的响声。而且，如果它们碰巧与爱因斯坦的预测不太吻合，那将是一个更加令人兴奋的前景。

伊斯说：“将来，我们将在地球和太空中拥有更好的探测器，不仅能够看到两种模式，而且还能看到数十种模式，并精确确定其性质。”“如果这些不是爱因斯坦预测的黑洞，如果它们是虫洞或玻色子之星等更奇特的物体，它们可能不会以相同的方式响起，我们将有机会看到它们。”

###

这项研究部分得到了NASA，Sherman Fairchild基金会，Simons基金会和美国国家科学基金会的支持。

参考：Maximiliano Isi，Matthew Giesler，Will M.Farr，Mark A.Scheel和Saul A.Teukolsky的“用GW150914测试无毛定理”，《物理评论快报》，2019年9月12日。
10.1103 / PhysRevLett.123.111102

有关此主题和视频模拟的更多信息，请参阅在黑洞的铃声中检测到的第一个泛音，以及比计划提前10年验证的爱因斯坦的广义相对论。