黑洞可以長出毛髮,然後又再次禿頂了

2021-02-08 萬象經驗

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由於黑洞傾向於吸入周圍的一切,所以它們不會洩露關於它們的起源或歷史的線索。這個令人沮喪的事實導致科學家在20世紀60年代宣布黑洞「沒有毛髮」。由此,研究人員認為黑洞幾乎沒有能夠區分彼此的特徵。

現在,新的計算表明一些黑洞可以長出毛髮,但它們不能長時間保持毛髮。根據這項新研究,以接近(但不完全)最大旋轉速度旋轉的黑洞顯示出一些獨特的特性。但是這些特性並沒有持續多久黑洞就變得「光禿禿的」了,與其他同類黑洞變得難以區分。這是一個有趣的發現,因為它是一個短暫的行為。

黑洞毛髮的比喻源於物理學家雅各布·貝肯斯坦和約翰·惠勒在20世紀60年代和70年代早期所做的數學計算。研究人員認為,在愛因斯坦廣義相對論下,黑洞可以用三個可觀測的參數來描述:質量、角動量和電荷。其他所有信息都被困在黑洞的引力中,因此無法觀測到。假設兩個黑洞在所有三個值上都匹配,那麼在功能上就不可能區分它們。

從那時起,理論家們就一直在尋找能將黑洞彼此區分開來的東西。如果科學家們能夠發現一些東西,它可能會開啟關於特定黑洞起源的新發現。例如,雖然許多黑洞被認為是坍塌恆星的殘餘,但有些黑洞可能是在大爆炸之後形成的,從早期宇宙結構中的異常密集的區域合併而成。如果兩個黑洞具有相同的質量、角動量和電荷,其中一個原始黑洞將無法與恆星黑洞區分開來。

2018年,劍橋大學物理學家德揚·加季奇領導的一組研究人員發現,帶有最大可能電荷的極端黑洞確實具有獨特的屬性,可以區分不同的物體。這些性質包括黑洞事件視界(引力如此強大以致光線無法逃逸的點)和柯西視界(由於強大引力場的時間彎曲效應,過去和未來之間的因果關係破裂的點)的可測量變化。

科學家開始對黑洞是否具有獨特的特性感興趣,這些特性在黑洞中幾乎是極端的,但也不完全是。研究人員對兩種黑洞進行了計算。第一種是接近極端的瑞斯納-諾德斯特姆黑洞,這種黑洞的電荷幾乎是最大的,但不旋轉。第二種是近乎極端的克爾黑洞,是一種幾乎以最大自旋速度旋轉但不帶電荷的黑洞。

在這兩個近乎極端的黑洞中,研究人員發現了「毛髮」存在的證據,不過是暫時的。當模擬黑洞第一次形成時,近極端黑洞的獨特性質是可以測量的,但隨著時間的二次函數而下降。這意味著這些值一開始會迅速縮小,然後隨著時間的推移繼續緩慢地縮小。

在很短的一段時間內,一個近乎極端的黑洞的行為就像它有毛髮一樣,但過了一段時間,它開始脫落,最終又變成了禿頂。

雖然目前所有這些計算都是理論性的,但現實世界的觀測結果有希望與這些發現相匹配。雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)實驗現在正在積極地測量引力波,引力波是由中子星和黑洞等大型物體在時空中產生的波紋。這些測量結果可以讓我們看到毛茸茸的黑洞。

目前還不知道這些實驗要進行多久才能捕捉到一個接近極限的黑洞,但如果這個黑洞出現了,它的引力波可能會有毛髮。

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