1974年，斯蒂芬·霍金提出理论，认为黑洞并非是黑色的，而是会缓慢地释放热辐射。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，而是会在漫长的时间里蒸发殆尽——然而，除了一个小问题：根本没有办法看到如此微弱的辐射。但是，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，它就可能是可探测的。他们现在声称已经在有史以来观测到的最大规模黑洞碰撞的余波中看到了它的迹象。
然而，这一说法极具争议，因为其他对此类引力波回声的搜索都一无所获。
2019年5月，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的Virgo观测到了来自两个黑洞合并的引力波——时空结构中的涟漪，这两个黑洞的总质量为151个太阳质量。合并后留下了一个142个太阳质量的黑洞。九个太阳质量的差值以辐射的形式释放出去，几乎全部以引力波的形式。 挪威斯塔万格大学的Jahed Abedi在挪威说：“这是迄今为止观测到的最大规模的事件。”他是一篇预印本论文的合著者，他和他的同事在论文中声称测量了这次合并的霍金辐射。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
来自这次事件（名为GW190521）的引力波不仅向外传播，最终与地球上的LIGO和Virgo探测器相互作用；它们还冲刷了最初碰撞产生的残留黑洞。接下来会发生什么取决于您对黑洞物理学的看法。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——一个单向边界，任何东西都可以落入其中，但没有任何东西可以逃脱。“在标准的黑洞图景中，黑洞的事件视界吸收所有辐射，”罗马萨皮恩扎大学的理论物理学家Paolo Pani说。因此，向内传播的引力波应该会消失。
但这可能不是实际发生的情况。物理学家认为，需要某种量子物理学和广义相对论的结合才能充分描述黑洞，在这种情况下，一部分入射引力波可能会被反射——要么是因为视界附近的量子效应，要么是因为合并产生的致密物体缺乏视界并且具有某种内部结构。如果是这样，LIGO、Virgo和其他探测器收集的信息中可能存在这种回声般的信号。与声波回声类似，与来自合并的原始引力波相比，此类信号会弱得多且略有延迟。
这种回声的确切外观取决于所建模的确切物理原理。例如，人们认为黑洞视界之外的区域是一个熙熙攘攘的地方，充满了不断涌现和消失的虚粒子对。有时，其中一对粒子中的一个会落入黑洞，而另一个则会逃逸。这些逃逸的粒子构成了霍金辐射。这是一个极其缓慢的过程。在GW190521事件中，Abedi和他的同事认为，残留物产生霍金辐射的速度可能会大大加快——换句话说，受到入射引力波的激发。
该原理与原子中受激辐射过程中发生的现象有些相似。在这个过程中，光子击中原子中“受激”的电子，导致电子下降到较低的能级，同时释放出与入射光子波长相同的光子。在某些情况下，这种受激辐射可以远远超过自发的“背景”辐射（其中电子自行从较高的能级下降到较低的能级并释放出一个光子）。Abedi和他的同事推测，与黑洞事件视界相互作用的引力波应该以类似的方式激发霍金辐射的产生，使其水平远远超过自发辐射，从而使其可探测。这种辐射将构成与入射波波长相同的引力波，尽管强度要低得多。
研究人员声称已经从GW190521残留物中看到了这种受激霍金辐射的迹象。他们使用了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个模型：一个模型完全基于广义相对论，没有合并后回声或信号，另一个模型包括受激霍金辐射。“如果你比较它们，[广义相对论]加上合并后受激辐射更受青睐七倍，”Abedi说。
第二种方法对任何特定模型都不可知，只是简单地寻找来自不同探测器的合并后引力波的相干爆发。该团队声称他们发现了这样的爆发。“[这两种方法]彼此一致，”Abedi说。
研究人员的统计分析给出了0.5%的几率（大约两百分之一的机会），表明所谓的信号实际上只是噪声。通常，对于物理学家来说，要声称一项发现，误报的几率必须低于百万分之一。因此，未参与该团队的Pani持谨慎态度。“他们拥有的统计证据……绝对太低，无法声称是一项测量，”他说。
“这不是一个非常响亮的信号，”Abedi承认，并补充说，尽管如此，这已经是当前引力波探测器所能做到的最好的结果。“我们的目标是下一代探测器。”
Pani同意，诸如激光干涉空间天线（LISA）之类的设施，这是一个由欧洲航天局主导的项目，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，如果真的有什么东西存在，我们将获得必要的证据来声称这是一项测量，”他说。
即使信号的证据在统计上更显着，Pani仍然对Abedi及其同事声称这将是霍金辐射证据的说法持批评态度。“他们本可以声称测量了引力波回声。[说]这是受激霍金辐射是一个很大的概念性步骤，”Pani说。“在其他模型中，它可能是其他东西。”
就在上个月，LIGO、Virgo和日本的神冈引力波探测器（KAGRA）的成员联手发布了他们最新引力波数据分析的预印本。他们研究了15个事件，其中14个是两个黑洞合并，一个是黑洞与中子星合并。所有事件都已被两个或多个探测器观测到。“这项分析包括GW190521。我们没有发现任何回声或任何其他偏离广义相对论预测的证据，”芝加哥大学的LIGO团队成员Daniel Holz说。“如果回声存在，或者任何其他推测性地偏离广义相对论的现象存在，那将是非常令人兴奋的，但看起来迄今为止的数据中没有令人信服的证据表明它们存在。爱因斯坦的理论通过了迄今为止的所有测试。它非常有效和准确，令人有些尴尬。”
与此同时，Pani正在关注未来，看看Abedi及其同事关于受激霍金辐射或一般回声的说法是否得到证实。“如果这在未来得到证实，这将是一个巨大的进步，”Pani说，“特别是对于整个领域而言，因为它将为黑洞的量子特性提供一种门户，否则将无法通过其他方式看到。”