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。
第二种方法与任何特定模型无关，只是寻找来自不同探测器的合并后引力波的相干爆发。该团队声称它发现了这样的爆发。“这两种方法彼此一致，”阿贝迪说。
研究人员的统计分析给出了 0.5% 的几率（大约 200 分之一的几率）推定的信号只是噪音。通常情况下，物理学家声称有发现，误报的几率必须低于百万分之一。因此，不属于团队成员的帕尼是谨慎的。“他们拥有的统计证据......绝对太低而无法要求测量，”他说。
“这不是一个非常响亮的信号，”阿贝迪承认并补充说，尽管如此，它仍然是目前引力波探测器所能做到的最好的。“我们的目标是下一代探测器。”
帕尼同意诸如激光干涉仪空间天线 (LISA) 之类的设施，这是一个由欧洲航天局牵头的项目，计划于 2030 年代后期发射，将更适合此类研究。“有了未来的探测器，如果有什么东西，我们将获得要求测量所需的证据，”他说。
然而，即使信号的证据在统计上更重要，帕尼仍然批评阿贝迪和他的同事声称这将是霍金辐射的证据。“他们本可以声称测量了引力波回波。它]是一个重要的概念步骤，这是受激的霍金辐射，”帕尼说。“在其他模型中，它可能是别的东西。”
就在上个月，LIGO、Virgo 的成员联手发布了他们对引力波数据的最新分析的预印本。他们观察了 15 次事件，其中 14 次是两个黑洞合并，一次是一个黑洞与一颗中子星合并。所有事件都被两个或多个探测器观测到。研究人员说：“这项分析包括 GW190521。我们没有发现回声或任何其他偏离广义相对论预测的证据。”
总结：
如果存在回声，或者任何其他与广义相对论的推测偏差，那将是非常令人兴奋的，但到目前为止，数据中似乎还没有令人信服的证据。迄今为止，爱因斯坦的理论已经通过了所有检验。
受激霍金辐射或一般回声的说法是否能得到证实？如果这将在未来得到证实，这将是一个伟大的进步，特别是对于整个领域来说，因为它将为黑洞的量子特性提供一种入口。