旋转黑洞会长“毛”

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/c ² ) 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(见图)。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(分别 被John Wheeler 和Roger Penrose 所 推崇)。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(毛发只是个比喻) 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(参见《物理》2016 年第7 期“ 相对论通过LIGO 的全面审 查”一文)。

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 反复复地作用于黑洞，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(即玻色场某些模式会束缚 于黑洞的引力势阱)，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(与粒子质量成反比) 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( 例如QCD 轴子、弦轴 子、“模糊”暗物质粒子等)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(又称为玻 色新星，Bosenova)，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(至少可与光穿过黑 洞的时间相比)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(黑色)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( 红色)。这种状态将通过引力波辐射而逐渐衰减(蓝色)

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/c ² ；对于 LISA， ~10 ^-15 —10 ^-19 eV/c ² 。未来， 我们或能用引力波探测器来寻找基 本粒子！

(北京大学徐仁新编译自Sam Dolan. Physics，July 24，2017)

来源 ：中国物理学会期刊网

编辑：太阳骑士07

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