黑洞可能并不“禿”?——上海天文臺在黑洞無毛定理檢驗研究中獲得重要進展
文章來源:上海天文臺 | 發(fā)布時間:2024-06-20 | 【打印】 【關閉】
????近日,中國科學院上海天文臺(以下簡稱上海天文臺)的引力波研究團隊利用自主研發(fā)的非廣義相對論雙黑洞并合的完整引力波模板,針對目前LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉引力波天文臺)已經(jīng)公布的雙黑洞引力波事件進行了黑洞無毛定理的檢驗,給出了至今為止無毛定理的最精確檢驗結果,并發(fā)現(xiàn)了疑似偏離廣義相對論黑洞的跡象。相關研究成果于6月6日發(fā)表在《宇宙學與天體粒子物理學》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)上。
????黑洞是廣義相對論預言的極端致密天體,而且某種意義上可以說是宇宙中“最簡單”的天體,因為廣義相對論要求它只有三根“毛發(fā)”,即描述黑洞只需要三個物理參數(shù):質量、自旋、電荷——這就是著名的黑洞“無毛定理”(圖1)。通常認為,天體物理黑洞是電中性的,因此實際上描述黑洞只用兩個參數(shù):質量和自旋。而宇宙中其它天體,要想描述就不止三個參數(shù),比如地球,除了質量、自旋外,還有形狀、物質組成,甚至還有生命活動等等。
圖1,任何落入黑洞的物體都無法再逃逸出來傳遞信息,因此廣義相對論黑洞只需要三個參數(shù)來描述:質量、自旋和電荷,這便是黑洞無毛定理。因為只需要用質量、自旋和電荷來描述黑洞,所以無毛定理有時也被稱為“三毛”定理。
????無毛定理作為廣義相對論的一個預言,其成立與否直接關系到廣義相對論的正確性。因此,研究黑洞是否真的只有三根“毛發(fā)”、還有沒有其他“毛發(fā)”——即除了質量、自旋、電荷這三個參數(shù)之外還有沒有其他參數(shù)用來描述黑洞,是檢驗黑洞基本性質以及廣義相對論的最重要手段之一。如果無毛定理被違背了,可能意味著廣義相對論需要進行修改或擴展。
????雙黑洞并合這樣的極端引力現(xiàn)象是檢驗廣義相對論的極佳場所。黑洞并合產(chǎn)生的引力波可作為檢驗廣義相對論的一種“探針”。但引力波非常微弱,此前由于缺乏非??拷诙匆暯绲挠^測數(shù)據(jù),使得科學家對黑洞無毛定理的檢驗很難進行。直到2015年,LIGO[注釋]才首次探測到雙黑洞引力波事件GW150914。截至目前,LIGO已探測到超過100起引力波事件,包括不同致密星系統(tǒng)的引力波事件。這些引力波事件為研究黑洞性質和檢驗廣義相對論提供了寶貴的數(shù)據(jù),使得科學家可以更好地對黑洞無毛定理進行檢驗。盡管如此,以往研究中科學家對黑洞無毛定理的檢驗往往限制在雙黑洞并合過程的某些特定階段,檢驗的結果并不理想。
????為更好解決對廣義相對論的黑洞無毛定理檢驗的難題,中國科學院上海天文臺引力波研究團隊利用自主研發(fā)的非廣義相對論雙黑洞并合的完整引力波模板,對目前LIGO已經(jīng)公布的雙黑洞引力波事件中信噪比最高的GW150914和GW200129_065458這兩個雙黑洞事件進行了黑洞無毛定理的檢驗。論文第一作者、上海天文臺博士研究生李嵩介紹道:“之所以選擇這兩個引力波事件作為研究對象,是因為我們在對LIGO公布的這100多起引力波事件進行分析后發(fā)現(xiàn),只有當引力波信號的信噪比足夠強時,檢驗無毛定理的精度才會比較高,而GW150914和GW200129_065458正是其中信噪比最高的兩個事件?!?/p>
????由研究團隊自主研發(fā)的非廣義相對論雙黑洞并合的完整引力波模板跳出了廣義相對論的黑洞“三毛”參數(shù)的局限,并且包含旋近、并合和鈴宕全過程[1],比以往的模板更加完整且適用性更好。研究團隊使用這種新模板對GW150914和GW200129_065458進行分析,通過引力波對黑洞的四極矩(即黑洞偏離球狀的程度)這一形狀參數(shù)進行定量描述。在理論層面上,廣義相對論的無毛定理要求不帶電的黑洞的四極矩完全由質量和自旋決定,因此通過測量黑洞的質量、自旋和四極矩,就可以了解黑洞是否符合廣義相對論。而實際上,雙黑洞并合過程中,在旋近、并合和最后的鈴宕階段(圖2),黑洞偏離球對稱的程度都會在引力波上留下印跡,科學家就可以通過分析引力波數(shù)據(jù)來估計黑洞質量、自旋、四極矩的大小,以此來檢驗黑洞無毛定理。因此,研究人員使用新模板通過測量黑洞的四極矩,然后將結果與廣義相對論模板所計算出的四極矩進行比較,就可以檢驗無毛定理。研究團隊使用這種對比方法后發(fā)現(xiàn),GW150914和GW200129這兩個雙黑洞事件的分析顯示了用新模板對實際觀測數(shù)據(jù)計算所得的黑洞參數(shù)與廣義相對論黑洞無毛定理所計算的參數(shù)的符合度達到95%,這是目前為止符合度最高、最精確的檢驗結果。
圖2,雙黑洞的引力波輻射,包括旋近(雙黑洞互相繞轉)、并合以及最后的鈴宕過程。
????但與此同時,這兩個引力波事件的四極矩與無毛定理描述的四極矩存在約5%的偏差(圖3)更加引起了研究團隊的興趣。他們在分析結果中發(fā)現(xiàn)了疑似偏離廣義相對論黑洞的跡象,帶有額外四極矩情況下,信噪比要比LIGO公布的信噪比略高,特別是GW200129這個事件,存在異常四極矩的貝葉斯因子達到5.1,已經(jīng)達到“強烈證據(jù)”等級。但研究團隊認為,這個偏差并不能確定性地得出無毛定理被違背這一結論,這兩個事件的貝葉斯因子并未達到“確定性證據(jù)”的程度。論文通訊作者、上海天文臺的韓文標研究員解釋道:“這種‘強烈證據(jù)’等級的異常這并不能導出黑洞無毛理論被違反的結論。雖然我們發(fā)現(xiàn)黑洞的形狀和廣義相對論預言有5%的疑似偏差,也就是黑洞還可能有額外的‘毛發(fā)’,但這種偏差一方面可能是信號噪聲或其他干擾因素造成的,另一方面本次研究的樣本數(shù)也偏少?!表n文標還展望道,本次工作的結果將激發(fā)科學家對更多的雙黑洞并合引力波事件做進一步的深入分析,期望對黑洞無毛定理有更深刻的理解。
圖3, 對兩個引力波事件GW150914(左)和GW200129_065458(右)參數(shù)估計結果,包括兩個黑洞的質量m1與m2、光度距離DL和四極矩相對偏離? Q/Q。圖中的虛線代表1σ的置信區(qū)間。
論文鏈接:https://dx.doi.org/10.1088/1475-7516/2024/06/013
注釋:
LIGO,全稱是Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉引力波天文臺,是由分別位于相距3000千米的美國南海岸Livingston和美國西北海岸Hanford兩個干涉儀組成,每一個都帶有兩個4千米長的臂并組成L型。
參考文獻:
[1] Song Li, Wen-Biao Han, Phys. Rev. D 106, 104013 (2022)
擴展閱讀:
[1] M. Isi, M. Giesler, W.M. Farr, M.A. Scheel and S.A. Teukolsky, Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 111102
[2] Abbott et al., Phys. Rev. D 103 (2021) 122002
科學聯(lián)系人:
韓文標,中國科學院上海天文臺,wbhan@shao.ac.cn