霍金的黑洞猜想遭到挑战:黑洞可能长了“毛”

作者: 王昱、吴非

来源: 环球科学

发布日期: 2021-02-20

一项新的研究表明,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。科学家们已经开始考虑无毛定理是否完全正确,并提出了一些黑洞在其事件视界中可能具有不稳定性。此外,这种“毛发”可以被引力波探测站观测到。

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。但一项新的研究表明,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。

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。

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。

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?

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。”

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。

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