霍金“黑洞无毛定理”将被推翻？由于黑洞倾向于“吸收”周围的一切（比如光都无法逃脱），即使是最小的黑洞也不会泄露关于它们的起源或历史线索。这一令人沮丧的事实促使科学家们在20世纪60年代宣称黑洞“没有毛”，其意思是，黑洞几乎没有区分彼此的特征。现在，新的计算表明：一些黑洞可以生长出毛，但不能保持很长时间。根据这项新的研究，以接近（但不完全）最大旋转可能速度旋转的黑洞显示出一些独特性质。
但这些性质在黑洞变得“光秃秃（无毛）”之前不会持续很长时间，并且变得无法与同类的其他黑洞区分开来。物理学家，研究作者Lior Burko表示：这是一个有趣的发现，因为它是一种短暂的行为。黑洞毛发的比喻源于物理学家雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)和约翰·惠勒(John Wheeler)在20世纪60年代和70年代初所做的数学计算。
认为，根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞只可以用三个可观察到的参数来描述：①质量，②角动量和③电荷。其它的一切，所有其它的信息，都被困在黑洞的引力中，因此不可能被观察到。假设有两个黑洞在所有三个值上都匹配，那么就不可能将它们区分开来。
（博科园图示）来自超级计算机模拟的可视化显示了正电子在旋转黑洞视界附近的行为。图片：Kyle Parfrey et al./Berkeley Lab
从那以后，理论家们一直在寻找能够将黑洞彼此区分开来的东西。如果科学家能找到一些东西，它可能会开启关于特定黑洞起源的新发现。例如，虽然许多黑洞被认为是塌陷恒星的残留物，但有些黑洞可能是在大爆炸之后形成的，在最早宇宙结构中从异常密集的区域合并出来。
如果其中一个原始黑洞具有相同的质量、角动量和电荷，它们将无法与恒星黑洞区分开来。剑桥大学物理学家德扬·加吉克(Dejan Gajic)领导的一组研究人员发现：极端黑洞（那些具有最大可能电荷的黑洞）确实具有独特的属性，可以将黑洞彼此区分开来。这些性质涉及黑洞的事件视界（引力如此强大以至于光无法逃脱的点）和柯西视界（过去和未来之间的因果关系由于强大引力场的时间弯曲效应而崩溃的点）的可测量变化，Burko和同事开始对黑洞是否具有独特的性质感兴趣。
（博科园图示）事件视界望远镜(Event Horizon Telescope)是通过国际合作打造由八台地面射电望远镜组成的行星级阵列，捕捉到了这张位于M87星系中心超大质量黑洞及其阴影的图像。图片：EHT Collaboration
这些黑洞几乎是极端的，但并不完全。并对两种黑洞进行了计算，第一个是近乎极端的Reissner-Nordström黑洞，这是一种几乎具有最大可能电荷但不旋转的黑洞。第二个是近乎极端的克尔黑洞，是一种几乎以最大自旋旋转但没有电荷的黑洞。在这两种近乎极端的黑洞中，科学家发现了黑洞“有毛”的证据。其研究发现发表在《物理评论研究》(Physical Review Research)期刊上。当一个模拟的黑洞第一次形成时，接近极端黑洞的独特性质是可以测量的，但随着时间的推移，会以时间的二次函数不断递减。
这意味着这些值在开始时会迅速收缩，然后随着时间的推移，会继续以更慢的速度收缩。(研究小组没有实时计算这一过程的速度，这取决于给定黑洞的质量、自旋和电荷。)。在很短的时间内（一个几乎极端的黑洞）行为就像黑洞有毛一样，像一个最大旋转的黑洞一样。但过了一段时间，黑洞开始脱落这些毛，最终又变成“秃头”无毛黑洞。虽然所有这些计算目前都是理论上的，但现实世界的观察结果可能与这些发现相匹配或相互矛盾，但这是有希望的。
激光干涉引力波天文台(LIGO)实验目前正在积极测量引力波，这是由中子星和黑洞等大质量天体在时空中产生的涟漪。LIGO使用两个地面观测站来测量引力波，这些测量或许可以让我们看到有毛的黑洞。一个即将到来的项目，即激光干涉仪空间天线(LISA)，将发射三个航天器来探测来自遥远宇宙空间的引力波。该项目旨在探测来自超大质量黑洞的引力波，目前不知道这些实验要运行多长时间才能捕捉到一个近乎极端的黑洞，但如果发现一个，那将会是惊喜的！
博科园｜文：Stephanie Pappas/Live Science
参考期刊《物理评论研究》
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.1.033106
发表于 2020-10-22 20:04
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