黑洞面積定律指出，在經(jīng)典物理過程中，黑洞事件視界的總面積始終不會(huì)減少，這一定律構(gòu)成了黑洞熱力學(xué)的基石。然而，在引力波成功探測(cè)之前，該理論預(yù)言一直未被直接且定量的天文觀測(cè)驗(yàn)證。引力波天文學(xué)的誕生，特別是頻繁探測(cè)到的雙黑洞并合事件，為在強(qiáng)場(chǎng)、動(dòng)態(tài)時(shí)空中檢驗(yàn)這一定律提供了“宇宙實(shí)驗(yàn)室”。

　　在引力波成功探測(cè)十周年之際，中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)牽頭的科研團(tuán)隊(duì)，利用第四期引力波源目錄中一例信噪比極高的雙黑洞并合事件GW230814，對(duì)黑洞面積定律開展了新檢驗(yàn)。

　　雙黑洞并合過程一般可分為旋近、并合與鈴宕三個(gè)階段。并合階段處于高度非線性、強(qiáng)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)的極端物理環(huán)境中，是最有可能出現(xiàn)新物理或偏離廣義相對(duì)論的階段；而旋近與鈴宕階段的引力波輻射，被認(rèn)為可由廣義相對(duì)論可靠地描述。團(tuán)隊(duì)選擇GW230814事件作為關(guān)鍵研究對(duì)象，源于其優(yōu)異的觀測(cè)特性：極高的信噪比確保了信號(hào)波形的清晰度，而其合適的黑洞質(zhì)量與自旋參數(shù)，保證了并合前后的信號(hào)在探測(cè)器頻段內(nèi)均具有足夠的信噪比，從而為分別在旋近階段和鈴宕階段獨(dú)立且精確地推斷黑洞參數(shù)提供了理想條件。

　　研究團(tuán)隊(duì)對(duì)GW230814事件的旋近階段與鈴宕階段分別進(jìn)行了參數(shù)推斷，約束并合前后黑洞質(zhì)量與自旋，進(jìn)而計(jì)算事件視界面積變化。在分析過程中，團(tuán)隊(duì)考慮了多項(xiàng)不確定性因素，包括天空定位誤差、波形模板的系統(tǒng)誤差、鈴宕階段建模的選擇，以及旋近終止與鈴宕起始時(shí)間等。結(jié)果表明，并合后黑洞的事件視界面積，以極高的后驗(yàn)概率大于并合前兩個(gè)黑洞的事件視界面積之和，統(tǒng)計(jì)置信度可達(dá)4.1σ。該結(jié)果有力地支持了黑洞面積定律，進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對(duì)論在黑洞并合這一強(qiáng)場(chǎng)、動(dòng)力學(xué)極端過程中的有效性與自洽性，并間接支持了“宇宙監(jiān)督假設(shè)”等黑洞基礎(chǔ)理論。

　　該研究為未來探索黑洞量子效應(yīng)、黑洞熱力學(xué)乃至量子引力理論奠定了堅(jiān)實(shí)的觀測(cè)基礎(chǔ)。隨著第三代引力波探測(cè)器的建成，通過對(duì)大量事件的族群分析，未來將有望以更高精度探尋可能偏離經(jīng)典理論的量子引力或新物理效應(yīng)。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)等的支持。

并合前后黑洞事件視界面積變化的測(cè)量值與預(yù)期值之比的概率密度分布