黑洞可能长了“毛”
来源:环球科学
发布时间:2021-02-22
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新的研究表明,极端黑洞可能会打破著名的黑洞无毛定理,并且能以某种方式被我们检测到。

 

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图片来源:D. COE, J. ANDERSON和R. VAN DER MAREL(太空望远镜科学研究所),美国宇航局,欧洲航天局

 

1973年,史蒂芬·霍金等人证明了无毛定理(No Hair Theorem)。根据这个理论,黑洞只有质量、角动量以及电荷这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他的信息全都丧失了。

 

撰文 | 王昱

审校 | 吴非

 

双胞胎之间的差异远远大于黑洞之间的差异。双胞胎可能拥有相同的基因蓝本,但是他们却能在气质、外貌甚至是发型上,展现出各自的差异。但对于黑洞,根据爱因斯坦的引力理论,只能拥有三个特征——质量、自旋和电荷。如果两个黑洞的这些值都相同的话,就不可能区分两个黑洞。黑洞上面没有能让我们区分它们的“毛发”,这就是著名的黑洞无毛定理。

 

哈佛大学理论物理学家保罗·切斯勒(Paul Chesler)说:“在经典广义相对论中,它们是完全一样的,你不可能找到任何区别。”

 

 

接连浮现的问题

 

然而,科学家们已经开始考虑无毛定理是否完全正确。2012年,当时在剑桥大学(现在任职于多伦多大学)的数学家斯特凡诺斯· 阿雷塔基斯(Stefanos Aretakis)提出,一些黑洞在其事件视界中可能具有不稳定性。这些不稳定性将会在事件视界上的某些区域中产生更强的引力,让原本全同的黑洞变得可以区分。

 

然而,他的方程仅仅适用于极端黑洞,即质量、自旋和电荷这3个特征中,有一个是理论上的最大值。据我们所知,“这些黑洞不可能存在,或者确切地说,不可能自然存在。”切斯勒说。

 

但如果一个黑洞,其中一个属性值逼近极端值,却没有达到极端值呢?例如,近日国家天文台等对天鹅座X1(Cygnus X-1)的精确测量结果显示,其中黑洞的自旋参数已经大于0.95,非常接近理论极限值1(换种说法,该黑洞的自转速度大于光速的95%)。那这样接近极限却还没有达到极限的黑洞,会有可检测到的违背无毛定理的行为吗?

 

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天鹅座X1想象图(图片来源:国家天文台、国际射电天文研究中心)

 

 

并非镜花水月

 

上个月底在《物理评论D》杂志上发表的一篇论文表示,的确可能会有这样的行为。此外,这种“毛发”可以被引力波探测站观测到。

 

马萨诸塞大学和罗得岛大学的物理学家、合著者之一的高拉夫·汗纳(Gaurav Khanna)表示:“阿雷塔基斯的研究提出,事件视界上残留有一些信息,而我们的论文开辟了测量这种‘毛发’的可能。”

 

值得注意的是,科学家认为要么是黑洞信息的残余物,要么是黑洞随后受到的扰动(比如落入黑洞的物质),能在接近极限黑洞的事件视界上或者附近造成这种引力不稳定性。汗纳说:“我们期待能看到和普通黑洞差异颇大的引力信号。”

 

普林斯顿高等研究院的天体物理学家莉娅·梅德罗斯表示,如果黑洞的确保有“毛发”,并以此保留了一部分关于它们过去的信息,这可能会对著名物理学家史蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖论产生冲击。这个悖论提炼了20世纪物理学两大支柱——量子力学和广义相对论之间最基础的矛盾。梅德罗斯说:“如果你违反了(信息悖论的)假设之一,你或许就能解决这个悖论本身。而其中一个假设就是无毛定理。”

 

由此造成的后果可能很广泛。“如果我们能证明黑洞外实际的黑洞时空与我们的预期不同,那么我认为这将会对广义相对论产生巨大的冲击。”梅德罗斯这样说道。

 

而上个月底这篇论文中最令人激动的发现是,它可以提供一种将黑洞观测与基础物理学相结合的方法。探测黑洞上的“毛发”,这或许是全宇宙最极端的天体物理实验室,可以允许我们以某种前所未有的方式研究一些学说,例如弦论和量子引力等。

 

梅德罗斯说:“弦论和量子引力的一大问题是,基于它们的预测往往非常难以检验。所以如果有任何办法,甚至仅仅是远程来检验这些理论,都是非常惊人的。”

 

 

绝非易事

 

然而,还存在一些重大障碍。目前还不清楚近极端的黑洞是否广泛存在,天文学家可以模拟极端黑洞,但目前模拟产生的黑洞都至少和“极端”存在30%的差距。并且即使这些黑洞是极端的,也不清楚引力波探测器是否足够灵敏,能从这些“毛发”发现不稳定性。

 

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黑洞数值模拟(图片来源:事件视界望远镜)

 

更重要的是,这些“毛发”的预期寿命短得要命,持续时间只有几分之一秒。

 

不过至少从理论上来讲,论文本身是可靠的。“我不认为科学界的任何人会怀疑它,”切斯勒说,“这并非投机,只是爱因斯坦的方程太过复杂,我们每年都能发现它的新特性。”

 

科学家下一步的目标,是确定它们要在引力波探测器中寻找怎样的信号。这样的探测器既包括LIGO、Virgo这样正在运行的地基探测器,也包含将来欧洲航天局的LISA(Laser Interferometer Space Antenna,空间激光干涉仪),以及我国的天琴计划和太极计划这样的天基探测器。

 

“人们应该在现有工作的基础上再接再厉,计算这种引力辐射的频率,从而理解我们应该如何通过探测来证认它,”伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的天体物理学家海尔维·维特克(Helvi Witek)说,“下一步是从这些理论中研究得出(黑洞毛发的)特征。”

 

对于这样的尝试,科学家有着充足的理由。虽然通过探测证明论文正确的机会渺茫,但这样的发现不仅仅会挑战爱因斯坦的广义相对论,也证明了近极端黑洞的存在。

 

“我们很想知道自然是否允许这样的怪物存在,”汗纳说,“这将对我们的研究领域产生戏剧性的影响。”

 

 

参考链接:

https://www.quantamagazine.org/in-violation-of-einstein-black-holes-might-have-hair-20210211/

http://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/202102/t20210219_5892577.html

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