最清晰重力波 GW250114 事件，證實霍金黑洞面積定理預測

LIGO 探測重力波進入 10 年，正以驚人速度破解黑洞之謎。近日，Ligo-Virgo-Kagra（LVK）合作計畫宣布捕捉有史以來最響亮重力波訊號 GW250114，進一步分析驗證了 1971 年、1963 年英國理論物理學家史蒂芬·霍金、紐西蘭數學家羅伊·克爾等人做出的主要預測，可能打開通向量子重力理論途徑。

測量時空漣漪的重力波探測器在十年間迅速發展，隨著探測靈敏度越來越高，從 2015 年僅發現少數重力波訊號，到如今我們已確認約 300 個雙黑洞合併、黑洞-中子星合併產生的重力波事件。

近日，國際重力波探測器網路 LIGO-Virgo-KAGRA （LVK）發布有史以來雙黑洞合併釋出的最清晰重力波訊號 GW250114，距離地球 13 億光年，為太陽質量 34 倍、3​​2 倍的黑洞合併產生太陽質量 63 倍的新黑洞，每秒旋轉 100 次。

它乾淨俐落地從儀器背景噪音脫穎而出，讓天文學家準確測試愛因斯坦廣義相對論，並為黑洞面積定理預測提供最佳觀察證據。

1971 年，英國理論物理學家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）提出黑洞總表面積永遠不會減小的理論，隔年以色列裔美國理論物理學家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）首次提出黑洞擁有熵的概念，認為黑洞表面積與它的熵成正比。

2 人共同得出結論表明，就算合併使黑洞自旋增加、以重力波形式失去能量，新生黑洞總表面積（事件視界內範圍）也絕不會小於上一代黑洞面積總和。再隔 2 年，霍金進一步提出霍金輻射概念。

GW250114 訊號的清晰程度讓天文學家輕鬆驗證上述理論預測，合併前，2 個原始黑洞總表面積和約 243,000平方公里，合併後新黑洞總表面積約 400,000 平方公里，進一步驗證熵會隨時間推移而增加的理論。

可惜霍金於 2018 年去世，沒能親眼看見自己的理論得到觀察證實。

▲ GW250114 事件示意圖。（Source：加州理工學院）

GW250114 訊號也驗證數學家羅伊·克爾（Roy Kerr）提出的克爾度規（Kerr metric），該方程為廣義相對論的精確解（也稱克爾解），描述旋轉黑洞週遭真空區域的時空幾何形狀。

百年前，愛因斯坦基於廣義相對論預測有質量的物體加速運動時，會在時空產生漣漪並以光速向外傳播，即重力波，當時科學界還沒有任何儀器靈敏到能檢測；如今，LIGO 打開觀測重力波的新世界，改變人類看待宇宙方式，隨著未來更多新開發的重力波探測器加入，重力波源定位精度也將進一步提升。

新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

• Gravitational wave detector confirms theories of Einstein and Hawking: ‘This is the clearest view yet of the nature of black holes’
• LIGO’s Sharpest Detection Yet Confirms Famous Stephen Hawking Theory
• Clearest signal of two merging black holes
• Stony Brook Researchers Part of Worldwide Team of Physicists Celebrating the 10th Anniversary of the Direct Detection of Gravitational Waves
• Stephen Hawking’s long-contested black hole theory finally confirmed — as scientists ‘hear’ 2 event horizons merge into one

（首圖來源：馬克斯·普朗克學會）