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【為什麼我們要挑選這篇文章】黑洞到底有多大?會一直擴張嗎?科學家極盡所能想了解這個經過巨大的能量行星視界而扭曲產生的怪異空間,現在,MIT 科學家透過引力波,證實了霍金曾提出的定理,並且推算出了黑洞總面積!(責任編輯:徐宇儂)

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作者:量子位

50 年前霍金提出的黑洞面積永不減小定理,現在終於被證實了。

透過一道黑洞合併後發出的引力波,麻省理工學院的科學家們,推算出了黑洞合併前和合併後的面積。

結果顯示,黑洞合併後的總面積沒有減小。

這與霍金在 1971 年提出的「宇宙中黑洞的總面積總是不會縮小」,完全重合。

而且,這也是科學家們首次從實際觀測中論證這一原理,研究成果已在《物理評論快報》上發表。

MIT 科學家證實霍金定理:宇宙中,黑洞總面積不會減小

所以,被證實的霍金黑洞面積定理,到底是在講什麼呢?

1971 年,霍金在理論上推導出:黑洞的邊界(事件視界,event horizo​​n)永遠不會縮小,這一定理後來被命名為「霍金面積定理」。

也就是說,宇宙中所有黑洞的總面積,是永遠不會減少的。

而這一定理在黑洞研究史上非常重要,在此之後物理學家們開啟了黑洞熱力學的研究,此後提出了非常多黑洞領域重要的概念,比如黑洞熵、霍金輻射等等。

但此後很多年,物理學家們只是在理論上多次論證了黑洞面積定理是合理的,但始終沒能在現實中得到驗證。

直到 2015 年,激光干涉儀引力波天文台(LIGO)觀測到了第一個雙黑洞合併的引力波信號 GW150914,這讓物理學家們看到了希望。

是不是可以透過探測到的數據,證實霍金黑洞面積定理了呢?

甚至連霍金本人,都曾與 LIGO 取得聯繫,詢問他們的探測結果是否能用於證明。

但受限於當時的技術,信號中的許多資訊還不能被提取出來。

直到 2019 年,研究人員開發了一種技術,可以提取出兩個黑洞在發生碰撞的那一刻之後 GW150914 的一些訊息。

△GW15091 4重建:藍色表示碰撞前,橙色表示碰撞後

他們從中挑選出特定的頻率或其他嘈雜的餘波信號,用這些資訊可以計算出新產生黑洞的質量和自旋轉速。

從「黑洞無毛定律」可以知道,無論什麼樣的黑洞,其最終性質僅由幾個物理量(質量、角動量、電荷)唯一確定。

由此就能計算出黑洞的面積。

透過引力波,黑洞合併前後的總面積,也被算出來了

那碰撞前的黑洞數據,是不是也能通過這樣的方法來計算得出呢?

研究人員在 GW150914 達到峰值時將其分開,運用一個模型來分析碰撞前的信號,從而得出兩個碰撞黑洞的質量和自旋速度。

最終結果表明,合併前雙黑洞總面積大約為 23.5 萬平方公里(相當於 14 個北京市;合併後的新黑洞面積約為 36.7 萬平方公里(相當於 22 個北京市)。

後者顯然大於前者,霍金黑洞面積原理真的被證實了!

該研究的第一作者、麻省理工學院卡夫利天體物理與空間研究所的愛因斯坦博士後研究員 Maximiliano ISi 表示:

這就像是一個動物園,有一些黑洞可能遵循相對論和霍金定理,但可能會有例外。

因此,這次結果不意味著結束,而是剛剛開始。

此外,因「對LIGO探測器及重力波探測的決定性貢獻」,Rainer Weiss、Kip Stephen Thorne 和 Barry Clark Barish 榮獲 2017 年諾貝爾物理學獎。

而探測到這一信號的激光干涉引力波天文台(LIGO),是藉助於激光干涉儀觀測來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。

△LIGO 漢福德區來源:LIGO 官網

它由兩台干涉儀組成:一個在華盛頓漢福德區,另一個在路易斯安那州利文斯頓,它們協同工作以探測引力波。

人類第一次觀測到雙黑洞合併引力波、第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波,都是通過 LIGO 實現的。

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來源資料:MIT

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈首次在觀測中證實霍金黑洞面積定理!他們從引力波中算出黑洞面積〉;首圖來源:Shutterstock)

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