近日，中国科学院紫金山天文台牵头的科研团队在引力波天文学领域取得进展，利用引力波事件GW230814以高统计置信度直接验证了黑洞面积定律。该成果以“Verification of the black hole area law with GW230814”为题于2026年1月7日正式发表于国际学术期刊Science Bulletin。

著名物理学家霍金提出的黑洞面积定律指出，在经典物理过程中，黑洞事件视界的总面积始终不会减少。这一定律构成了黑洞热力学的基石，然而，在引力波成功探测之前，该理论预言一直未被直接且定量的天文观测验证。引力波天文学的诞生，特别是频繁探测到的双黑洞并合事件，为在强场、动态时空中检验这一定律提供了前所未有的“宇宙实验室”。双黑洞并合过程一般可分为旋近、并合与铃宕三个阶段。并合阶段处于高度非线性、强场动力学的极端物理环境中，是最有可能出现新物理或偏离广义相对论的阶段；相比之下，旋近与铃宕阶段的引力波辐射被认为能够由广义相对论可靠地描述。

在引力波成功探测十周年之际，研究团队利用第四期引力波源目录中一例信噪比极高的双黑洞并合事件GW230814，对黑洞面积定律开展全新检验。团队选择GW230814事件作为关键研究对象，源于其优异的观测特性：极高的信噪比确保了信号波形的清晰度，而其合适的黑洞质量与自旋参数，保证了并合前后的信号在探测器频段内都具有足够的信噪比，从而为分别在旋近阶段和铃宕阶段独立且精确地推断黑洞参数提供了理想条件。

研究团队对GW230814事件的旋近阶段与铃宕阶段分别进行参数推断，约束并合前后黑洞的质量与自旋，进而计算事件视界面积的变化。在分析过程中，系统考虑了多项不确定性因素，包括天空定位误差、波形模板的系统误差、铃宕阶段建模的选择，以及旋近终止与铃宕起始时间等。结果表明，并合后黑洞的事件视界面积以极高的后验概率大于并合前两个黑洞的事件视界面积之和（如图1所示），统计置信度可达4.1σ。该结果强有力地支持了黑洞面积定律，进一步验证了广义相对论在黑洞并合这一强场、动力学极端过程中的有效性与自洽性，并间接支持了“宇宙监督假设”等黑洞基础理论。

这项研究为未来探索黑洞量子效应、黑洞热力学乃至量子引力理论奠定了坚实的观测基础。随着第三代引力波探测器的建成，通过对大量事件的族群分析，未来将有望以更高的精度探寻可能偏离经典理论的量子引力或新物理效应。

该研究第一作者为紫金山天文台唐少鹏副研究员，通讯作者为范一中研究员，主要合作者包括大连理工大学王海天副教授和紫金山天文台博士后李银杰。该研究得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：https://doi.org/ 10.1016/j.scib.2025.11.002

图1：并合前后黑洞事件视界面积变化的测量值与预期值之比的概率密度分布。图中结果对比了两种后并合建模方法：“pIMR”模型使用旋近-并合-铃宕波形的后合并部分，而“QNM”模型则将铃宕阶段表示为微扰克尔黑洞的准正则模叠加。此外，图中结果还考虑了不同的铃宕起始时间t_>，分别取并合参考时刻后的4倍或6倍t_Mf（约0.309毫秒）。灰色阴影区域表示最终事件视界面积小于初始两黑洞总和的情况。图中垂直虚线位置表示符合广义相对论的预测。