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黑洞是宇宙中非常神秘的存在 ， 斯蒂芬·霍金就是研究黑洞鼎鼎有名的科学家 ， 他曾提出了一个理论：“霍金辐射” 。 但迄今为止并未得到验证 ， 最近 ， 来自黑洞合并地发出的微妙信号可能证实了“霍金辐射”的存在 。 目前 ， 引力波探测器已经收到了这些神秘信号 。 黑洞碰撞的回声能否证明斯蒂芬霍金最伟大的预测？如果成功验证 ， 那将是人类伟大的进步！
1974 年 ， 斯蒂芬霍金提出了黑洞不是黑色的理论 ， 而是缓慢地发出热辐射 。 霍金的预言震撼了物理学的核心 ， 因为它暗示黑洞不可能永远存在 ， 相反 ， 它们会在数万年之内蒸发成虚无——然而 ， 出了一个小问题：根本无法看到如此微弱的辐射 。
但根据一些天体物理学家的说法 ， 如果这种“霍金辐射”能够以某种方式被激发和放大 ， 它可能是可以检测到的 。 他们现在声称在有史以来最大规模的黑洞碰撞之后 ， 观察到了它的迹象 。 然而 ， 这一说法极具争议性 。 美国的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 曾观测到引力波——时空结构中的涟漪——来自两个总质量为 151 个太阳的黑洞合并 。
这两个黑洞合并时留下了一个 142 个太阳质量的黑洞 。 被辐射出去的质量相当于9个太阳 ， 几乎全部以引力波的形式辐射出去 。 “这是迄今为止观察到的最大规模的事件 ， ”挪威斯塔万格大学的阿贝迪说 ， 他与人合着了一篇预印本论文 ， 他和他的同事声称已经测量了这次合并的霍金辐射 。
这个名为 GW190521 的事件产生的引力波不仅波及最终与地球上的 LIGO 和 Virgo 探测器相互作用；他们还冲刷了最初碰撞产生的残余黑洞 。 接下来发生的事情取决于你对黑洞物理学的看法 。
引力波
如果黑洞完全由爱因斯坦的广义相对论描述 ， 那么它们就有一个事件视界——一个任何东西都可以落入但没有任何东西可以逃脱的单向边界 。 “在标准的黑洞图片中 ， 黑洞的视界吸收了所有的辐射 ， ”罗马第一大学的理论物理学家帕尼说 ， 所以向内的引力波应该会消失 。
物理学家认为 ， 需要将量子物理学和广义相对论结合起来才能完全描述黑洞 ， 在这种情况下 ， 可能会反射一部分入射的引力波——要么是因为视界附近的量子效应 ， 要么是因为密集的、合并创建的紧凑对象缺乏视界并且具有一些内部结构 。 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 。 与声波回声类似 ， 与合并产生的原始引力波相比 ， 这种特征会更弱 ， 并且会稍微延迟 。
这种回声的确切外观取决于所建模的确切物理场 。 例如 ， 黑洞视界外的区域被认为是一个“繁华”的地方 ， 到处都是成对的虚拟粒子进出 。 有时一对中的一个落入黑洞 ， 另一个逃脱 。 这些逸出的粒子构成霍金辐射 。 这是一个极其缓慢的过程 。 在 GW190521 的案例中 ， 阿贝迪和他的同事认为 ， 残余物产生的霍金辐射可以大大加速——换句话说 ， 被入射的引力波刺激 。
这个原理有点类似于原子辐射受激发射过程中发生的情况 。 在这个过程中 ， 光子撞击原子中的“激发”电子 ， 导致电子下降到较低的能级 ， 同时吐出与入射光子具有相同波长的光子 。 在某些情况下 ， 这种受激发射可以远远超过辐射的自发“背景”发射（电子本身从较高能级下降到较低能级并发射光子） 。
阿贝迪和他的同事推测 ， 与黑洞视界相互作用的引力波 ， 应该同样将霍金辐射的产生刺激到远远超过自发辐射的水平 ， 从而使其可被检测到 。 这种辐射将构成与入射波波长相同的引力波 。
研究人员声称已经看到了来自 GW190521 残余物的霍金辐射受激发射的迹象 。 他们使用两种不同的方法来分析 LIGO 和 Virgo 收集的 GW190521 数据 。 第一种方法比较了两种模型：一种纯粹基于广义相对论 ， 没有合并后的回波或信号 ， 另一种包括受激霍金辐射 。 “如果你比较它们 ， 广义相对论加上黑洞合并后的受激辐射是首选的七倍 ， ”阿贝迪说 。
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