1.
當一顆足夠大的被驗恒星在自身引力的作用下坍縮成一個無窮小點時，就成為了一個有著超強引力場的無毛黑洞。在黑洞周圍的定理一定距離內，任何東西都無法逃脫，被驗甚至連光也不能。無毛黑洞具有一個確定的定理質量，也會以極快的被驗速度像陀螺一樣旋轉。
2015年9月14日，無毛人類第一次成功地探測到了雙黑洞并合輻射出的定理時空的漣漪——引力波，這一事件被稱為GW150914。被驗它發生在13億光年之外，無毛有兩個黑洞相互旋進，定理最終并合成為了一個更大的被驗黑洞。在最初的幾毫秒內，新生的黑洞以扭曲的狀態存在。但隨著它的幾何形狀穩定下來，它釋放出了攜帶著黑洞的質量、自旋、（原則上還有）電荷信息的引力波形。
根據愛因斯坦的廣義相對論，這些信息已經足以描述任何黑洞。任何其他的特征——也就是被著名物理學家惠勒（John Wheeler）稱之為“毛發”，都應該被黑洞吞噬而無法被觀測到。這便是黑洞的無毛定理。
但是，要如何檢驗無毛定理呢？
這絕非易事。幸運的是，引力波時代的到來不僅為我們探索宇宙打開了一扇新的窗口，也為檢驗無毛定理帶來了希望。
2.
在雙黑洞并合釋放出的引力波中，被嵌入了特定的頻率，或者說是“音調”，類似于音樂和弦中的單個音符。
研究人員先將接收到的引力波信號中的噪聲消除，再對信號進行放大，然后就觀察到了一個在衰減之前迅速增強的波形。當把這種信號轉換成聲音時，他們聽到了類似“啁啾”的鳴響。信號的峰值對應于啁啾中最響亮的部分，這一部分與黑洞碰撞、并合成一個新黑洞的時刻有關。
新生的黑洞發出了它自己的引力波，但物理學家認為，在最初碰撞發出的喧鬧聲中，它的信號聲響太過于微弱，因此無法被解讀。所以，只有在峰值之后的某個時刻才能分辨出這個聲響的痕跡，但如此一來，信號就會過于微弱而無法對其進行詳細研究。
然而，研究人員找到了一種方法，可以從信號到達峰值后的瞬間即可提取出黑洞的回響。通過模擬，研究人員發現這樣的信號，尤其是在峰值之后的那部分，包含著“泛音”——一類響亮而短暫的聲音。如果將泛音納入考量再重新分析信號，就可以成功地分離出一種聲音模式——一種新形成的黑洞所特有的模式。
○ 研究人員首次在新形成黑洞的“鈴宕”階段探測到了兩種音調。過去，研究人員認為只有一種音調可以被探測到，而額外的音調，即泛音，由于太過于微弱而無法被探測到。
研究人員將這項技術應用到GW150914事件中的實際數據中，他們專注在緊隨啁啾峰值之后的最后幾毫秒的信號。在考慮到這個信號中的泛音之后，他們辨別出了其中有一個聲音是來自這個新生的黑洞。具體來說，他們確定了兩種不同的音調，并且能夠測量每種音調中的音高和衰減率。
研究人員解釋說，他們探測到了一個由多個頻率組成的整體引力波信號，這些頻率以不同的速率衰減，就像組成聲音的不同音高一樣。每個頻率或者音調都對應于新黑洞的振動頻率。
3.
根據愛因斯坦的廣義相對論的預測，黑洞引力波的音調和衰減與質量和自旋有關。也就是說，一個具有一定質量和自旋的黑洞只能產生特定的音調和衰減。為了驗證愛因斯坦的理論，研究小組利用廣義相對論方程計算了新形成的黑洞的質量和自旋，得出了他們探測到的兩個音調的音高和衰減。他們發現，計算的結果與之前其他人對黑洞質量和自旋的測量結果相符。
利用這一被稱為黑洞光譜學的新技術，研究人員證實了黑洞確實沒有毛發。正如19世紀末對原子光譜的測量，開啟了恒星天體物理學的時代，而黑洞光譜學的到來，也將為我們理解黑洞和廣義相對論帶來全新的視角。
未來，隨著現有引力波探測器不斷的升級，以及更加靈敏的儀器的問世，研究人員能夠使用這一方法“聽到”其他新生黑洞的聲音。如果他們碰巧聽到的音調與廣義相對論的預測不符，那將是一個令人興奮的前景。而這正是一些物理學家所期待的，因為考慮到量子效應，愛因斯坦的理論很可能會崩潰。
在弱引力場的情況下，牛頓的引力理論通過了許多的檢驗。但隨著引力變得越來越極端，比如兩個黑洞并合的情況下，牛頓的理論就完全不適用了。同樣地，當我們最終以越來越高的精確度探測來自黑洞的信號時，甚至連廣義相對論也有一天可能無法通過檢驗。
自第一次探測到引力波已經四年過去了，而對引力波和黑洞的不斷探索，正一點點地改變我們對引力、空間和時間的理解。
參考來源：
//news.mit.edu/2019/ringing-new-black-hole-first-0912
//www.caltech.edu/about/news/first-overtones-heard-ringing-black-hole
//physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.111102
//www.eurekalert.org/pub_releases/2019-09/sf-bh091219.php
//www.sciencemag.org/news/2019/09/black-hole-reverberations-suggest-cosmic-beasts-are-bald-cue-balls