引力波，打开探索黑洞事件视界的新途径|宇宙线起源|引力波|粒子|视界|黑洞

黑洞是宇宙中最引人入胜、也最极端的天体之一。它拥有一个有去无回的边界——事件视界；一旦越过该边界，信息便无法传递给远处的观察者。测量事件视界的性质具有重要意义，因为它处于现代物理学若干最深刻问题的交汇点，这些问题涵盖了从广义相对论到量子理论的广泛领域。

过去，科学家只能通过黑洞周围的吸积盘、相对论性喷流，或事件视界望远镜拍摄到的黑洞剪影等间接方式来研究事件视界。这些都是基于电磁波的观测结果，这自然就引出了一个极具吸引力的问题：是否能够利用另一种宇宙“信使”——引力波，更加直接地探测黑洞事件视界？

如今，一项新发表于《自然》的研究向前迈出了重要一步。研究人员通过人类探测到的有记录以来最清晰的引力波信号，成功解析出了此前一直隐藏在信号中的一部分——直接波（direct wave），为研究黑洞及其事件视界提供了一种全新的信息来源。

直接探测事件视界

当两个黑洞彼此足够靠近时，它们会沿着螺旋轨道相互靠近，最终并合成为一个更大的黑洞。在这一过程中，它们会发射引力波——即在时空结构中传播的涟漪。作为时空本身的涟漪，引力波携带着时空几何结构的直接印记。

当两个黑洞相互旋近、并合时，会释放出引力波。地球上足够灵敏的探测器可以捕捉到引力波信号，从而解读出黑洞的质量和自旋。

在过去十年里，LIGO–Virgo–KAGRA探测器网络已经观测到了数百个致密双星并合产生的引力波事件。

引力波信号中的“铃宕”阶段尤其富含信息：它主要由一系列特征振荡组成，这些振荡被称为准简正模（Quasinormal Modes），是在并合后形成的新黑洞逐渐趋于平衡状态时被激发出来的。这些准简正模携带着关于最终新形成的黑洞质量和自旋的详细信息。因此，通过从引力波信号中测量这些模式——这种方法被称为黑洞光谱学——为研究黑洞提供了一种强有力的途径。

但问题在于，虽然准简正模携带着新形成黑洞的质量与自旋信息，却并不直接地关联于事件视界本身。更准确地说，它们更直接关联的是黑洞周围的光环。近期的理论研究提出了一种能够更直接探测视界性质的方法。这些研究表明，在双黑洞从晚期旋近到残余黑洞形成之间的短暂并合阶段，系统的轨道运动会发生转变：它不再主要由双黑洞此前的演化历史决定，而是越来越受新生残余黑洞事件视界的性质支配。

在这个阶段，就会发出直接波。由于事件视界外的能层中的强烈参考系拖曳，这种直接波的振荡频率接近事件视界自转频率的两倍；同时，它会以越来越快的速率衰减，而这一衰减由事件视界表面引力所支配。

双黑洞并合过程中，并合阶段附近的引力波辐射示意图。图中采用广泛使用的有效单体（EOB）形式，将系统近似为一个点粒子（小黑圆点）螺旋落入最终形成的旋转黑洞。红色阴影区域表示位于光环附近的势垒，它包围着能层（绿色区域）。在能层中，粒子的轨迹会经历强烈的时空拖拽效应——这是因为黑洞在旋转，所以它会对周围的时空产生拖曳效应。由粒子运动驱动的波辐射，从早期旋近阶段（蓝色箭头）一直持续到最终坠落阶段。在此过程中，这些波（灰色箭头）会被残余黑洞的事件视界“静音”。这些波在向远处观测者传播时，还会进一步受到势垒的屏蔽或筛选，最终只有部分波能够到达远方观测者（黑色箭头）。与此同时，在穿越势垒的过程中，准简正模也被激发出来（橙色箭头）。因此，引力波信号中的并合部分实际上是两种成分的叠加：由源驱动的直接波（黑色箭头）和自由振荡的准简正模（橙色箭头）。（图/N. Liu et al.）

这种直接波出现在引力波信号最强的阶段附近，并与准简正模同时存在。更重要的是，这种直接波已经有可能利用当前的LIGO–Virgo–KAGRA探测网络被观测到。因此，在近期观测到的引力波事件中寻找这种信号也极具吸引力。这将开辟一种前所未有的直接途径，用于研究黑洞能层和事件视界的动力学性质。

隐藏在最强引力波信号中的直接波

在迄今探测到的所有双黑洞并合事件中，于2025年1月14日探测到的GW250114引力波信号是最清晰的。此前，这一事件已经被用于高精度检验霍金面积定律，并对并合后形成的黑洞开展黑洞光谱学研究。

尽管GW250114的信号如此之强，直接波仍然隐藏在两个原始黑洞螺旋靠近并碰撞过程中产生的其他引力波之中。因此，研究人员采用了新的分析技术，将这一特征从更强的引力波成分中仔细分离出来，从而揭示了它的存在。