破紀錄的引力波有助於測試愛因斯坦的廣義相對論

“值得注意的是，這一事件與我們 10 年前觀測到的第一個事件 GW150914 非常相似，”康奈爾大學物理學家、康奈爾大學藝術與科學學院天體物理和行星科學中心的 NASA 哈勃博士後研究員基夫·米特曼 (Keefe Mittman) 說。 “之所以更清晰，是因為我們的探測器在過去 10 年裡變得更加精確。”

全球努力研究黑洞碰撞

米特曼是研究該信號的合著者，該研究題為“使用 GW250114 進行黑洞光譜和廣義相對論測試”，該研究發表於 物理評論信 本文由 LIGO 科學合作組織、意大利 Virgo 合作組織和日本 KAGRA 合作組織共同撰寫。自 20 世紀 90 年代初啟動以來，康奈爾大學的科學家在 LIGO-VIRGO-KAGRA 項目中發揮了關鍵作用。

被稱為 GW250114 的引力波是在兩個黑洞碰撞時產生的，並在時空中發出漣漪。該信號於 2025 年 1 月 14 日到達美國激光引力波天文台 (LIGO)。每個引力波均根據其發現日期進行命名，LIGO-VIRGO-KAGRA 團隊於 2025 年 9 月公開宣布了這一命名。根據 Mittman 及其同事的分析，該信號的行為與廣義相對論的預測完全一致。與此同時，研究人員認為，並非所有黑洞合併都會嚴格遵循愛因斯坦的規則，這可能為基礎物理學打開新的大門。

黑洞如何揭示它們的秘密？

當兩個黑洞合併時，新形成的物體會像喪鐘一樣振動。米特曼解釋說，這些振動會產生不同的音調，這些音調由兩種測量確定：振盪頻率和阻尼時間。測量單個音調可以讓科學家計算出最終黑洞的質量和自旋。正如廣義相對論所預測的那樣，對兩個或多個音調的檢測使得對這些相同屬性進行多次、獨立的檢查成為可能。

“如果這兩個測量結果彼此一致，那麼你就有效地驗證了廣義相對論，”米特曼說。 “但是，如果你測量的兩個度數不對應於相同的質量自旋組合，你就可以開始檢查你與廣義相對論的預測偏離了多遠。”

就 GW250114 而言，信號足夠清晰，科學家可以測量兩種音調並限制第三種音調。所有這些結果都與愛因斯坦的理論一致。

尋找愛因斯坦理論的裂縫

如果測量結果不同怎麼辦？

米特曼說：“作為物理學家，我們將有很多工作要做，試圖解釋正在發生的事情以及宇宙中真正的引力理論是什麼。”他和他的合作者相信，未來的引力波信號可能不會與廣義相對論完美吻合，從而為解開長期存在的謎團提供線索。

物理學家已經懷疑廣義相對論不能成為引力的最終定論。正如米特曼指出的那樣，該理論無法解釋暗能量和暗物質等現象，並且當科學家試圖將它們與支配量子世界的定律相協調時，該理論就會失敗。

“必須有某種方法來解決這個悖論，使我們的引力理論與我們的量子力學理論兼容，”米特曼說。 “沿著這些思路，我們預計與愛因斯坦的經典預測會有一些偏差，因為你可能會看到量子引力的特徵印在這些引力波信號上。

“希望有一天我們能看到這些異常現象，它將幫助我們了解真正的量子引力理論可能是什麼。”