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霍金错了?黑洞无毛定理将经受考验,黑洞可能不是光秃秃的

发布时间:2019-10-30 19:34:21
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早在2017年,引力波就像钟声一样清晰地穿过地球。当它穿过我们的时空区域时,它伸展并挤压地球上的每个人,蚂蚁和科学仪器。现在,研究人员已经回到引力波,并在引力波中发现了隐藏的数据,这有助于证明一个已经存在了几十年的天体物理学理论。

2017年的引力波是一件大事:天文学家第一次有了探测和记录引力波的工具。这个工具被称为激光干涉仪引力波观测台(ligo)。天文学家发现第一波是遥远空间两个黑洞碰撞的结果。

现在,一组天体物理学家对这一记录进行了另一项研究。他们发现了一些其他人认为需要几十年才能发现的东西:“黑洞无毛定理”的精确证明。这个黑洞理论至少可以追溯到20世纪70年代,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)已经严格证明了这个理论。

麻省理工学院的物理学家、论文的第一作者maximiliano isi说,当物理学家说黑洞没有“毛发”时,他们的意思是天体物理物体非常简单。黑洞之间只有三个区别:自旋速度、质量和电荷。在现实世界中,黑洞的电荷可能差别不大,所以它们实际上只是在质量和自旋方面有所不同。物理学家称这些裸露的物体为“克尔黑洞”。

Isi告诉现场科学,没有“毛发”的黑洞与宇宙中的其他物体非常不同。例如,当真正的钟声响起时,它会发出声波和一些难以察觉的微弱引力波。但这是一个更复杂的物体。时钟由青铜或铸铁等材料制成,根据无毛模型,黑洞是均匀的奇点。每个时钟都有一个独特的形状,黑洞是无限小的无量纲点,被空间中的球形事件视界所包围。如果你对时钟和声波有所了解,时钟的所有这些特征都可以从它发出的声音中检测出来。Isi说,如果你能以某种方式感知时钟的引力波,你就能发现它的组成和形状的不同。

“整个事情的秘密在于波形——这种拉伸和挤压的模式——编码了源头的信息,也就是产生引力波的东西。”他告诉现场科学。

Isi表示,2017年研究引力波的天文学家对引发引力波的黑洞碰撞了如指掌。

但是录音很弱,不太清楚。Ligo是世界上最好的引力波探测器。它使用激光测量华盛顿州的L形阵列中相距2.5英里(4公里)的镜子之间的距离。类似的探测器处女座也在意大利探测到了这种引力波。)当引力波在ligo上滚动时,它们扭曲时空本身,并略微改变距离。但是Isi说这些引力波的细节不足以让探测器记录下来。

“但这就像我们从远处聆听。”Isi说。

那时,引力波提供了很多信息。黑洞的行为和预期的一样。Isi表示,没有明显的证据表明它没有视界(没有光线可以逃逸的区域),也没有明显偏离无毛定理。

然而,研究人员无法证实这些观点,尤其是无毛定理。Isi说波形最简单的部分是在两个黑洞合并成一个更大的黑洞之后。它持续响了一段时间,就像敲过的钟,把多余的能量作为引力波送入太空——天体物理学家称这个过程为“响铃”。

当时,研究ligo数据的研究人员在铃声中只发现了一个波形。研究人员认为,开发足够灵敏的乐器来捕捉铃声中任何更安静的和弦仍然需要几十年的时间。

然而,Isi的同事之一,加州理工学院物理学家马特·吉斯勒(matt giesler)发现,在碰撞后的短时间内,撞击强度足以让ligo记录比平时更多的细节。在那些时刻,波的声音足够大,利戈可以听到泛音——不同频率的第二波,很像铃响后微弱而宽广的声音。

在乐器中,泛音承载大部分信息,赋予乐器独特的声音。他说引力波的弦外之音也是如此。Isi表示,新发现的泛音极大地澄清了黑洞环的数据。

他说,这表明黑洞至少非常接近克尔黑洞。无毛定理可以用来预测泛音的出现。Isi和他的团队显示弦外之音几乎与预测相符。然而,泛音的记录不是很清楚,所以它仍然有可能不同于定理预测的音调,大约10%。

Isi表示,为了达到更高的精度,你需要从黑洞碰撞波形中提取更清晰的泛音,或者构建一个比ligo更灵敏的仪器。

"物理学越来越近了。"Isi说,“但你永远无法确定。”

泛音信号甚至可能不是真实的,但由于数据的随机波动,可能是偶然发生的。他们报告了泛音中“3.6σ置信度”的存在。这意味着有6300分之一的几率泛音不是来自黑洞的真实信号。

Isi表示,随着仪器的改进和更多引力波的探测,所有这些数字应该会变得更加自信和准确。Ligo已经升级,使探测黑洞碰撞变得非常常规。根据《物理世界》的报道,计划于2020年年中进行的另一次升级将使其灵敏度提高十倍。

一旦太空激光干涉仪太空天线(lisa)在20世纪30年代中期发射,天文学家应该能够在某种程度上确认黑洞的无毛性,这在今天是不可能的。

然而,Isi说黑洞可能也不是完全裸露的。它们的绒毛可能和桃皮一样,非常简单,太软,太小,我们的仪器无法捕捉。