重磅！研究表明：黑洞「事件視界」外必須至少存在一個光環

黑洞是最神秘和最迷人的宇宙學現象之一，黑洞是空間中具有如此強烈引力場的區域，無論是物質還是輻射光都無法逃脫，當然黑洞也同樣是一顆天體。在過去五年左右的時間裡，天體物理學家收集了第一批關於黑洞周圍強大引力的觀測資料。LIGO和室女座引力波天文的合作，使用世界上最先進的引力波探測器探測到這些黑洞天體周圍的引力波。

與此同時，事件視界望遠鏡研究小組捕捉到了第一張黑洞陰影的圖像。雖然這兩個觀測都非常有希望和引人入勝，但它們都不太可能揭示事件視界，事件視界是定義黑洞周圍空間中任何東西都無法逃脫的特定區域邊界。儘管如此，它們應該包含一個指向恰好在視界之外鄰近區域的特徵，在那裡，光傳播路徑被強烈地彎曲，以至於它的路徑關閉了自己，形成了被稱為光環的圓形軌道。

黑洞的光環

而研究這些光環最終，可以豐富我們目前對黑洞及其性質的理解。然而，到目前為止，仍然有許多問題沒有得到回答，科學家對黑洞和黑洞周圍的光環還遠沒有得到很好的理解。馬克斯·普朗克引力物理研究所和葡萄牙阿韋羅大學的研究人員現在引入了一個定理，可以預測靜止黑洞周圍的光環。其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上，新研究定理表明：一般來說，靜止黑洞都必須至少有一個光環。

開展這項研究的兩位研究人員佩德羅·庫尼亞(Pedro Cunha)和卡洛斯·赫代羅(Carlos Herdeiro)表示：值得注意的是，黑洞光環的特性可以編碼許多相關黑洞信息。通過測量這些性質，可以直接了解黑洞附近難以捉摸、但相當未知非常強大的引力區域。目前還不清楚愛因斯坦的廣義相對論在這種極端條件下是否仍能很好地描述引力定律。因此，一個關鍵問題是：在任何引力理論中，任何黑洞模型都需要有光環嗎？

根據廣義相對論，黑洞在平衡態和空空間中的性質受到很大限制。過去的宇宙學觀測表明，這些經典黑洞都有光環軌道，這可能意味著任何可以想像到的黑洞也會有這些軌道。通過新研究，庫尼亞和赫代羅試圖研究外推光環軌道概念的可能性，並將其應用於具有一般物質含量的黑洞，或應用於另一種引力理論(即，不是廣義相對論)。新定理為一般靜止黑洞必須至少有一個光環軌道的預測，提供了堅實的理論基礎。

研究的創新論點

研究引入了一種普遍、在數學上有創新的論點，確立了一個平衡黑洞作為規則，在每個旋轉意義上確實必須至少有一個標準光環。要分析輕環，通常要考慮給定引力理論的解族，如廣義相對論，或某種特定的修正引力模型。然而，這裡的論證是拓撲性質的。拓撲學是一個特定的數學領域，它專注於研究當對象經歷變形或形狀和大小的其他更改時不受影響的幾何特性。

拓撲學研究的關鍵思想是，有些問題不受對象的確切形狀和大小影響，而是受這些對象相互變形的方式影響。舉個簡單的例子：一個球體和一個甜甜圈有不同數量的洞，並且在拓撲上截然不同。相比之下，球體和立方體儘管具有不同的幾何形狀，但具有相同的拓撲。Cunha和Herdeiro將基於拓撲的構造，應用到是否存在圍繞黑洞的光環軌道問題上。

定理沒有使用特定引力理論提供的運動方程來嘗試回答這個問題，而是簡單地研究了時空在黑洞附近和遠離黑洞時的行為。換句話說，研究人員並不假設一個引力定律是正確的，而只是假設正確的引力定律允許黑洞的存在。然後，迫使時空結構服從一些規律性要求，黑洞的存在意味著事件視界外一定有一個光環。一個旋轉的黑洞必須至少有兩個光環：一個用於與黑洞旋轉方向相同的光繞著黑洞旋轉，另一個用於光以相反的方向繞著黑洞旋轉。

新定律的預測

新研究提供了一個新的理論視角，可以作為進一步研究黑洞周圍光環的基礎。主要優勢是它的普遍性，因為它不遵循任何具體的引力理論，因此即使愛因斯坦的廣義相對論在這種情況下不適用或不準確，它也是有效的。預測黑洞總是有光環，它們總是在事件視界之外，這會產生重要的後果。例如，它意味著黑洞的輪廓，也就是所謂的黑洞陰影，通常比人們預期的黑洞本身更大，因此，陰影應該總是黑洞的放大。

雖然它在理論上可能是強大的，就像任何其他適用於真實系統的數學定理一樣，研究人員引入的結構是基於一系列假設。在未來的研究中，研究人員計劃改變其中的一些假設，並評估新定理的預測是改變還是保持不變。這個定理的一個關鍵假設是，在遠離黑洞的地方沒有引力場。然而，在宇宙中，有一個宇宙學常數驅動著宇宙的膨脹。無論距離黑洞有多遠，這都會產生一個微小的引力場。理解這種微小的假設變化是否會改變新定理的結論，這將是非常有趣的。

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