用最重的黑洞去探测最轻的粒子?

作者: 舒菁、陈一帆、袁强

来源: 蔻享学术

发布日期: 2020-07-19 10:51:39

本文探讨了利用旋转黑洞探测极轻粒子的可能性,介绍了事件视界望远镜的成就及其在科学研究中的重要性,并讨论了超辐射现象和轴子云的形成及其在物理学中的潜在应用。

在刘慈欣的科幻小说《球状闪电》里,理论物理学家丁仪通过了一些反常的电磁现象预言了一种虚构粒子“宏原子”的存在。这一巨型的粒子在宏观尺度上也拥有量子力学的不确定性,如同一个放大了千万倍的氢原子。后来的另一部小说《三体》中,丁仪为此获得了诺贝尔奖,而“宏原子”也曾被提议作为对付三体人入侵的秘密武器。

在我们浩瀚的宇宙中,也有可能存在更为巨大的“宏原子”。基于广义相对论的预言,旋转黑洞会和一些极轻粒子形成一个稳定的球状结构,被称为带毛黑洞或者“引力原子”。如何寻找这些“巨大原子”?最近的研究表明,它们四周也会有一些反常的电磁现象,通过给黑洞拍照片的事件视界望远镜,我们也有机会去捕捉这一怪兽级的“宏原子”。

2019年4月事件视界望远镜合作组在全球多地举行了一场举世瞩目的发布会。人类有史以来第一次清晰看到了靠近黑洞表面的辐射图像,辐射环内部的阴影则是目前关于黑洞这一理论概念的最直接证据。这一成果依靠的是事件视界望远镜无与伦比的高分辨率。

回到发布会,这次被拍到照片的是M87星系中的超大质量黑洞,也是我们目前已知的最重黑洞之一,质量接近100亿个太阳的质量。这个黑洞很可能具有很高的自旋,在垂直于自转轴的赤道面上形成了一个光环。光环内部的阴影则是

因为在此区域内光也无法逃脱黑洞的束缚。事件视界望远镜直接拍摄出黑洞的照片是天文观测技术的一项非凡成就,也具有非常重大的科学意义,它不仅再次证实了爱因斯坦广义相对论的正确性,还为众多的天体物理和基础物理问题提供了全新的研究手段。

1971年,著名的广义相对论专家罗杰彭罗斯爵士提出了超辐射的概念——旋转的黑洞周围会有轻粒子不断地被产生。对于自旋为整数的粒子,会形成玻色-爱因斯坦凝聚现象,附着在黑洞四周组成宏观的超流体量子态。这些粒子从黑洞的自转中提取能量,源源不断地被产生,使这片云越来越致密。

当我们所知的最重天体与可能是最轻的带质量粒子结合的时候,奇妙的现象发生了。轻质量的轴子在黑洞附近会形成一片云,和黑洞组成引力原子系统。这一附着在黑洞视界周围的轴子云在不断抽取黑洞自转能的过程中将达到非常高的密度,远超过在我们太阳系附近的暗物质气体。

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