【原】重磅研究：理論預(yù)測(cè)黑洞“事件視界”外必須至少存在一個(gè)光環(huán)！

博科園 2020-06-02

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黑洞是最神秘和最迷人的宇宙學(xué)現(xiàn)象之一，黑洞是空間中具有如此強(qiáng)烈引力場(chǎng)的區(qū)域，無論是物質(zhì)還是輻射光都無法逃脫，當(dāng)然黑洞也同樣是一顆天體。在過去五年左右的時(shí)間里，天體物理學(xué)家收集了第一批關(guān)于黑洞周圍強(qiáng)大引力的觀測(cè)資料。LIGO和室女座引力波天文的合作，使用世界上最先進(jìn)的引力波探測(cè)器探測(cè)到這些黑洞天體周圍的引力波。

與此同時(shí)，事件視界望遠(yuǎn)鏡研究小組捕捉到了第一張黑洞陰影的圖像。雖然這兩個(gè)觀測(cè)都非常有希望和引人入勝，但它們都不太可能揭示事件視界，事件視界是定義黑洞周圍空間中任何東西都無法逃脫的特定區(qū)域邊界。盡管如此，它們應(yīng)該包含一個(gè)指向恰好在視界之外鄰近區(qū)域的特征，在那里，光傳播路徑被強(qiáng)烈地彎曲，以至于它的路徑關(guān)閉了自己，形成了被稱為光環(huán)的圓形軌道。

黑洞的光環(huán)

而研究這些光環(huán)最終，可以豐富我們目前對(duì)黑洞及其性質(zhì)的理解。然而，到目前為止，仍然有許多問題沒有得到回答，科學(xué)家對(duì)黑洞和黑洞周圍的光環(huán)還遠(yuǎn)沒有得到很好的理解。馬克斯·普朗克引力物理研究所和葡萄牙阿韋羅大學(xué)的研究人員現(xiàn)在引入了一個(gè)定理，可以預(yù)測(cè)靜止黑洞周圍的光環(huán)。其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上，新研究定理表明：一般來說，靜止黑洞都必須至少有一個(gè)光環(huán)。

開展這項(xiàng)研究的兩位研究人員佩德羅·庫(kù)尼亞(Pedro Cunha)和卡洛斯·赫代羅(Carlos Herdeiro)表示：值得注意的是，黑洞光環(huán)的特性可以編碼許多相關(guān)黑洞信息。通過測(cè)量這些性質(zhì)，可以直接了解黑洞附近難以捉摸、但相當(dāng)未知非常強(qiáng)大的引力區(qū)域。目前還不清楚愛因斯坦的廣義相對(duì)論在這種極端條件下是否仍能很好地描述引力定律。因此，一個(gè)關(guān)鍵問題是：在任何引力理論中，任何黑洞模型都需要有光環(huán)嗎？

根據(jù)廣義相對(duì)論，黑洞在平衡態(tài)和空空間中的性質(zhì)受到很大限制。過去的宇宙學(xué)觀測(cè)表明，這些經(jīng)典黑洞都有光環(huán)軌道，這可能意味著任何可以想象到的黑洞也會(huì)有這些軌道。通過新研究，庫(kù)尼亞和赫代羅試圖研究外推光環(huán)軌道概念的可能性，并將其應(yīng)用于具有一般物質(zhì)含量的黑洞，或應(yīng)用于另一種引力理論(即，不是廣義相對(duì)論)。新定理為一般靜止黑洞必須至少有一個(gè)光環(huán)軌道的預(yù)測(cè)，提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

研究的創(chuàng)新論點(diǎn)

研究引入了一種普遍、在數(shù)學(xué)上有創(chuàng)新的論點(diǎn)，確立了一個(gè)平衡黑洞作為規(guī)則，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)意義上確實(shí)必須至少有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光環(huán)。要分析輕環(huán)，通常要考慮給定引力理論的解族，如廣義相對(duì)論，或某種特定的修正引力模型。然而，這里的論證是拓?fù)湫再|(zhì)的。拓?fù)鋵W(xué)是一個(gè)特定的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，它專注于研究當(dāng)對(duì)象經(jīng)歷變形或形狀和大小的其他更改時(shí)不受影響的幾何特性。

拓?fù)鋵W(xué)研究的關(guān)鍵思想是，有些問題不受對(duì)象的確切形狀和大小影響，而是受這些對(duì)象相互變形的方式影響。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)球體和一個(gè)甜甜圈有不同數(shù)量的洞，并且在拓?fù)渖辖厝徊煌?。相比之下，球體和立方體盡管具有不同的幾何形狀，但具有相同的拓?fù)?。Cunha和Herdeiro將基于拓?fù)涞臉?gòu)造，應(yīng)用到是否存在圍繞黑洞的光環(huán)軌道問題上。

定理沒有使用特定引力理論提供的運(yùn)動(dòng)方程來嘗試回答這個(gè)問題，而是簡(jiǎn)單地研究了時(shí)空在黑洞附近和遠(yuǎn)離黑洞時(shí)的行為。換句話說，研究人員并不假設(shè)一個(gè)引力定律是正確的，而只是假設(shè)正確的引力定律允許黑洞的存在。然后，迫使時(shí)空結(jié)構(gòu)服從一些規(guī)律性要求，黑洞的存在意味著事件視界外一定有一個(gè)光環(huán)。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞必須至少有兩個(gè)光環(huán)：一個(gè)用于與黑洞旋轉(zhuǎn)方向相同的光繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)用于光以相反的方向繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。

新定律的預(yù)測(cè)

新研究提供了一個(gè)新的理論視角，可以作為進(jìn)一步研究黑洞周圍光環(huán)的基礎(chǔ)。主要優(yōu)勢(shì)是它的普遍性，因?yàn)樗蛔裱魏尉唧w的引力理論，因此即使愛因斯坦的廣義相對(duì)論在這種情況下不適用或不準(zhǔn)確，它也是有效的。預(yù)測(cè)黑洞總是有光環(huán)，它們總是在事件視界之外，這會(huì)產(chǎn)生重要的后果。例如，它意味著黑洞的輪廓，也就是所謂的黑洞陰影，通常比人們預(yù)期的黑洞本身更大，因此，陰影應(yīng)該總是黑洞的放大。

雖然它在理論上可能是強(qiáng)大的，就像任何其他適用于真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)定理一樣，研究人員引入的結(jié)構(gòu)是基于一系列假設(shè)。在未來的研究中，研究人員計(jì)劃改變其中的一些假設(shè)，并評(píng)估新定理的預(yù)測(cè)是改變還是保持不變。這個(gè)定理的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)是，在遠(yuǎn)離黑洞的地方?jīng)]有引力場(chǎng)。然而，在宇宙中，有一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)驅(qū)動(dòng)著宇宙的膨脹。無論距離黑洞有多遠(yuǎn)，這都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的引力場(chǎng)。理解這種微小的假設(shè)變化是否會(huì)改變新定理的結(jié)論，這將是非常有趣的。