碰撞黑洞的回声能证明斯蒂芬·霍金最伟大的预言吗?

1974年,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)提出理论,认为黑洞不是黑色的,而是缓慢地发出热辐射。霍金的预言撼动了物理学的核心,因为它暗示黑洞不可能永远存在,相反,它们会在亿万年后蒸发成虚无,但有一个小问题除外:根本不可能看到如此微弱的辐射。但是,根据一些天体物理学家的说法,如果这种“霍金辐射”能以某种方式被激发和放大,它可能是可探测的。他们现在声称,在有史以来观测到的最大规模黑洞碰撞之后,他们已经看到了这种现象的迹象。

然而,这一说法极具争议,因为其他对引力波回声的搜索都是徒劳的。

2019年5月,美国的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)和意大利的处女座(Virgo)观测到了总质量为151个太阳的两个黑洞合并产生的时空结构中的引力波涟漪。这次合并留下了一个142个太阳质量的黑洞。九个太阳质量的差异被辐射出去,几乎全部以引力波的形式。“这是迄今为止观察到的最重大的事件,”挪威斯塔万格大学的Jahed Abedi说,他共同撰写了一份预印本,他和他的同事声称测量了这次合并的霍金辐射。

这场名为GW190521的事件产生的引力波不仅产生涟漪,最终与地球上的LIGO和处女座探测器相互作用;它们还冲刷了最初碰撞产生的残余黑洞。接下来会发生什么取决于你对黑洞物理学的看法。如果黑洞完全由爱因斯坦的广义相对论来描述,那么它们就有一个事件视界——一个任何东西都可以落入的单向边界,但任何东西都无法逃脱。“在标准黑洞图片中,黑洞的视界吸收了所有的辐射,”罗马萨皮扎大学的一位理论物理学家Paolo Pani说。所以向内的引力波应该消失了。

但事实可能并非如此。物理学家们认为,需要量子物理学和广义相对论的某种结合来完整地描述黑洞,在这种情况下,一部分下落的引力波可能会被反射,要么是因为地平线附近的量子效应,要么是因为黑洞的密度,合并产生的紧凑物体缺乏视野,具有一定的内部结构。如果是这样,LIGO、Virgo和其他探测器收集的信息中可能会出现类似回声的特征。与声波回波类似,与合并产生的原始引力波相比,这种特征信号要弱得多,而且会略微延迟。

这种回声的确切形状取决于所模拟的确切物理性质。例如,黑洞视界外的区域被认为是一个繁忙的地方,充斥着成对的虚拟粒子进出。有时一对掉进黑洞,另一对逃走。这些逃逸的粒子构成霍金辐射。这是一个极其缓慢的过程。在GW190521的例子中,阿贝迪和他的同事认为,残骸产生霍金辐射的速度可能会大大加快,也就是说,受到不断下降的引力波的刺激。

这一原理与原子受激辐射时发生的情况有些相似。在这个过程中,光子撞击原子中的“受激”电子,导致电子下降到较低的能级,同时吐出与入射光子波长相同的光子。在某些情况下,这种受激发射可能远远超过辐射的自发“背景”发射(电子本身从较高的能级下降到较低的能级,并发射光子)。阿贝迪和他的同事们认为,引力波与黑洞的视界相互作用,同样会刺激霍金辐射的产生,使其达到远远超过自发辐射的水平,从而使其可检测。这种辐射将构成与入射波波长相同的引力波,尽管强度要低得多。

研究人员声称已经看到了GW190521残骸中霍金辐射受激发射的迹象。他们用两种不同的方法分析了LIGO和Virgo收集的GW190521数据。第一种方法比较了两种模型:一种完全基于广义相对论,没有麦哲后回声或信号,另一种包括受激霍金辐射。阿贝迪说:“如果你将它们进行比较,[广义相对论]加上麦格后期的受激辐射是前者的七倍。”。

第二种方法对任何特定的模型都是不可知的,只需寻找来自不同探测器的麦格后引力波的相干爆发。该团队声称他们发现了这样的爆炸。“这两种方法是一致的,”阿贝迪说。

研究人员的统计分析给出了0.5%的概率(大约每200个概率中就有一个概率)假设信号只是噪声。通常情况下,物理学家要宣称一项发现,虚警的几率必须低于百万分之一。因此,不属于球队的帕尼非常谨慎。“他们掌握的统计证据……绝对太低,无法进行测量,”他说。

“这不是一个非常响亮的信号,”阿贝迪承认,并补充说,尽管如此,这是目前引力波探测器所能做到的最好的。“我们的目标是下一代探测器。”

帕尼同意,像激光干涉仪空间天线(LISA)这样的设施更适合此类研究。LISA是欧洲航天局(European Space Agency)的一个led项目,计划于20世纪30年代末发射。“有了未来的探测器,如果有什么东西,我们将获得必要的证据来进行测量,”他说。

然而,即使信号的证据在统计学上更为显著,帕尼仍然对阿贝迪和他的同事声称这将是霍金辐射的证据持批评态度。帕尼说:“他们本可以要求测量引力波回波。[这]是一个很大的概念性步骤,可以说这是受激霍金辐射。”。“在其他车型中,可能是其他车型。”

就在上个月,日本的LIGO、Virgo和Kamioka引力波探测器(KAGRA)的成员联手发布了他们对引力波数据最新分析的预印本。他们观察了15次事件,其中14次是两个黑洞合并,一次是一个黑洞与中子星合并。所有这些事件都是由两个或多个探测器观察到的。芝加哥大学的LIGO小组成员Daniel Holz说:“这项分析包括GW19521。我们没有发现回声或任何其他偏离广义相对论的证据。”“如果存在回声,或任何其他与广义相对论的推测偏差,那将是令人难以置信的兴奋,但迄今为止,数据中似乎没有令人信服的证据证明它们。爱因斯坦的理论迄今为止已经通过了所有测试。它的有效性和准确性令人尴尬。”

与此同时,帕尼正密切关注着地平线,看看阿贝迪及其同事关于受激霍金辐射或一般回声的说法是否得到证实。帕尼说:“如果这一点在未来得到证实,这将是一个伟大的步骤,尤其是对整个领域来说,因为它将为黑洞的量子特性提供一个入口,否则,用其他方法是不可能看到的。”

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