旋转黑洞会长“毛”

作者: 徐仁新

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2017-09-24 12:14:10

加拿大Perimeter理论物理研究所和普林斯顿大学的研究人员模拟了旋转黑洞的动力学,发现若自然界存在质量极小的玻色子,黑洞会自发地滋生“毛发”,这一现象挑战了“黑洞无毛”的论点,并可能通过引力波特征来探测。

通过激发微小质量的假想粒子场而自发地生长“毛发”,旋转的黑洞可损失其9%的质量。加拿大Perimeter理论物理研究所William East和普林斯顿大学的Frans Pretorius最近模拟了旋转黑洞的动力学,发现一个有趣的现象。若自然界存在质量极小(<10-10 eV/c2)的玻色子,则黑洞会自发地滋生“长发”,即:在黑洞周围迅速激发这种场。

这一发现认为,黑洞可能会生出长期存在于事件视界面之外的“毛发”,从而挑战“无毛”的论点。同时也引发如下可能:或许某一天能依据引力波特征来探测“有毛”黑洞。这项研究要追溯到上世纪七十年代初两个关于黑洞的不同看法。1971年Wheeler声称“黑洞无毛”。不管过去如何,黑洞一旦形成后将迅速处于稳态,只需三个量(质量、角动量和电荷)就能描述。所有其他自由度会快速地辐射或吸收。

在经典框架内,黑洞并不记忆它所吞噬的细节。值得注意的是,去年LIGO探测到的第一个引力波事件支持“无毛”观点。而Penrose则认为,原则上黑洞的质量和转动可被释放以驱动诸如类星体的喷流等过程。1971年,Penrose描绘一个思想实验:黑洞可将其能量转移至散射粒子。类似地,电磁波被旋转黑洞反射后也可提取黑洞的能量,这一过程称为黑洞的超辐射。

学者们在1972年认为,若存在能束缚电磁波的机制,超辐射将反复作用于黑洞,就会触发称为“黑洞炸弹”的失控过程。如果自然界存在质量非常轻的玻色场,则其非零质量导致的势能使得玻色场被束缚,这一过程即可自发产生。事实上,这一长波共转模式的玻色场可通过超辐射而指数增长,直至黑洞的角动量降至超辐射能发生的临界值以下,或场的非线性效应开始起关键作用。

要使得这个过程在几年时间尺度上发生,玻色场的质量必须非常小,以至于其康普顿波长跟黑洞视界半径相当。对于太阳质量黑洞而言,玻色场质量要求接近电子质量的10-17倍。看起来这一切都是假设,但研究人员却想尽办法来验证这个想法。过去十年,不少人认为旋转黑洞可用作新物理的灵敏探针。据推测,天文学家可以通过窥视宇宙以获取黑洞炸弹的特征,从而推断极轻玻色子是否存在。然而,究竟该怎么找呢?

这个问题被East和Pretorius的研究所触及。他们考虑引力的非线性并数值模拟黑洞炸弹的增长,以确定其末态。曾经有人认为,黑洞会爆发性喷出物质和能量,然后玻色场再进入一个新的增长周期。但是East和Pretorius的模拟表明,黑洞可跟玻色场处于准平衡态。特别地,若矢量玻色场康普顿波长跟事件视界半径相当,高达9%的黑洞质量会用于增强束缚于周围的玻色场偶极模式。

换句话说,旋转黑洞长出“毛发”,它长寿且延伸至事件视界远处。关键是黑洞炸弹不会爆炸:毛发增长有序,不会失控而导致灾难,且以确定的频率旋转。East和Pretorius两位学者的研究表明,一颗旋转的黑洞可使周围束缚态的极轻质量玻色场快速放大,形成近乎稳定的“毛发”位型。这种状态将通过引力波辐射而逐渐衰减。如何探测有毛黑洞?这种黑洞会以特定频率辐射引力波。

多颗这类黑洞可产生引力波背景,也会成为可分辨的引力波点源,从而被LIGO或计划中的LISA探测。引力波数据将会严格限制玻色场质量上限:对于LIGO,~10-11—10-14 eV/c2;对于LISA, ~10-15—10-19 eV/c2。未来,我们或能用引力波探测器来寻找基本粒子!

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