黑洞只有两个参数,形成机制却仍是谜
引力波与 EHT 确认黑洞确实只有两个参数,但 120 倍太阳质量的黑洞如何形成、暗物质是否由微型黑洞构成、最后 1 秒差距如何跨越,都是未解之谜。
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两种物理学家,两种黑洞
同一个黑洞,观测派只把它当作又重又暗的质点,用来解释与附近物质的引力交互;理论派则把它看成时空弯曲到时间在事件视界停住的特殊几何。定义不同导致研究方法相反——观测派外推,理论派放大到小尺度结构。这决定了后面所有关于「如何证明我们看到的是黑洞」的争论。
— Vitor Cardoso无毛定理:两个参数决定一切
真空中稳态的克尔黑洞只由质量和自转两个参数决定,全宇宙万亿个黑洞都一样;电荷理论上存在但宇宙会中和掉。不过这个定理依赖真空与稳态两个假设,而真实宇宙有物质、有变化。Cardoso 的工作就是打破这些假设,看黑洞的辐射和动力学会不会因此改变。
— Vitor Cardoso宇宙监督假设仍是开问题
如果地球突然坍缩成黑洞,它会因自转太快而根本形不成视界;方程给出的结果是裸奇点,而我们对没有视界庇护的坍缩没有理论。宇宙监督假设声称奇点总被视界挡住,但这只是猜想——在更高维时空的引力理论里,它已经失效。物理学家至今不知道它是否正确。
— Vitor Cardoso质量间隙:大质量黑洞的诞生之谜
引力波观测看到最大 120 倍太阳质量的黑洞,但这个质量区间很难形成:超过 80 倍太阳质量的恒星会不稳定,倾向分裂而不是坍缩;先并合再长大的路径也因黑洞太小、难相遇而走不通。同时每个星系中心都有百万到十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,但介于两者之间的中间质量黑洞只有零散证据。
— Vitor Cardoso黑洞暗物质:参数空间几乎被排除
用黑洞解释暗物质必须先指定质量。太重的会被微引力透镜暴露,观测没看到;太轻的会因 Hawking 辐射蒸发,留不到今天。微透镜已排除大部分参数空间,只剩狭小角落。Cardoso 的判断是:可能,但不太可能;他说这解释「好得不像真的,有点孤注一掷」。
— Vitor CardosoEHT 图像九成靠模拟重建
Event Horizon Telescope 拍的不是事件视界,而是光子最内层轨道的「光环」。更关键的是,M87 和银河系中心的图像极其模糊,实际测量只占约 10%,另外 90% 来自基于上万次黑洞周围物质模拟的先验知识。Cardoso 认为理想未来是分辨率足够高、不再需要先验重建的仪器。
— Vitor Cardoso下一代探测器打开低频窗口
LIGO 之后,KAGRA 已运行,2030 年左右印度也将加入;欧洲在规划爱因斯坦望远镜(地面、升级版 LIGO),欧美在推进 LISA 上天。LISA 把干涉臂从 LIGO 的 4 公里拉到约 100 万公里,探测 20 赫兹到 1 千赫兹之外的更低频信号,目标是超大质量黑洞并合乃至宇宙诞生早期的不均匀性。
— Vitor CardosoAxion 云:黑洞像氢原子
旋转黑洞能把低频率入射波放大后弹回;若波有质量,逃逸会失败、掉回去再被放大,形成「黑洞炸弹」。Axion 有质量又很轻,于是理论预言:若暗物质是 axion,自旋黑洞周围会凝聚一圈 axion 云,结构像氢原子——核是旋转黑洞,云是 axion。这套模型反复出现在 Cardoso 的计算里。
— Vitor Cardoso原话 · 已逐字校验
But if you ask somebody a bit more like me, who works on theory and is interested in the fundamental concepts, then a black hole is a very different beast. It's an object that curves spacetime to the extent that time stops at the event horizon.
但如果去问更接近我这种做理论、关心基本概念的人,那黑洞是个完全不同的东西——它是把时空弯曲到时间在事件视界处停止的物体。
Vitor Cardoso3:07
Any black hole in the universe. That means of all the trillions of black holes we think are out there, all of them are specified entirely by just two parameters.
宇宙中的任何黑洞——我们以为存在的数万亿个黑洞——全都只由两个参数完全决定。
Vitor Cardoso10:47
If our planet, the Earth, would suddenly decide to collapse to a black hole and everything that composes the Earth would fall onto the black hole, it could not be a black hole because it's spinning too fast. And what the equations would tell us is there would be no horizon.
如果我们的星球地球突然决定坍缩成黑洞,地球的所有物质都掉进黑洞里,那它也成不了黑洞,因为它自转太快了。方程告诉我们的是:不会形成视界。
Vitor Cardoso19:34
We see black holes exist all the way up to 120 solar masses. We don't really know how they form.
我们看到黑洞一直存在到 120 倍太阳质量。我们并不真正知道它们是怎么形成的。
Vitor Cardoso20:52
So if they were under the form of black holes, once in a while, micro black holes, one of these black holes would pass in front of a star, and it would lens the light from that star, so we would see the light from that star changing. And we haven't seen this.
所以如果暗物质以黑洞的形式存在,那么偶尔,一个微型黑洞会从某颗恒星前经过,它会弯曲那颗恒星的光,我们会看到那颗恒星的光在变化。而我们从没见过这种情况。
Vitor Cardoso28:59
they're reconstructed from, I would say, roughly 10%. So 90% of the image is reconstructed, and it's reconstructed based on thousands of simulations that we do of matter around black holes.
它们是在大约只有 10% 实测数据的基础上重建出来的。所以图像里 90% 是重建的,而且重建依据是我们做的成千上万次黑洞周围物质模拟。
Vitor Cardoso37:15
Gravitational waves are not traveling at the speed of light. So I'm always expecting some news along that side of things. So I always get a bit not depressed, but okay, it's the speed of light with 15 decimal digits.
引力波不按光速传播——所以我一直在期待这方面的新闻。所以我总有点,不是说抑郁,而是:好吧,光速测到了 15 位小数。行吧。
Vitor Cardoso40:57
It's a fascinating thing to think that if dark matter would come under the form of axions, there might be systems there that look like atoms: a nucleus, which is a spinning black hole, surrounded by a cloud, like the hydrogen atom, a cloud of axions.
想想就着迷:如果暗物质以 axion 的形式存在,那么可能有一套系统看起来像原子——原子核是一个旋转黑洞,周围环绕着一团云,就像氢原子那样,一团 axion 云。
Vitor Cardoso1:00:37
数字与实体
| 决定黑洞全部性质的参数个数 | 2(质量与自转) | 10:47 |
| 观测到的最大恒星质量黑洞 | 120 倍太阳质量 | 20:52 |
| 恒星不稳定的质量阈值 | 80 倍太阳质量以上 | 22:33 |
| LIGO 干涉臂长 | 4 公里 | 42:38 |
| LISA 干涉臂长 | 约 100 万公里 | 42:38 |
| EHT 图像中重建比例 | 约 90% | 37:15 |
| 引力波与光信号到达时间差(GW170817) | 1.4 秒 | 40:57 |
| 双黑洞并合事件中观测到的光子对应体 | 从未见过(已见两三百次并合) | 38:17 |
术语
- no-hair theorem无毛定理
- 真空中稳态黑洞仅由质量、自转(及电荷)决定,没有其它自由度。
- Kerr metric克尔度规
- 描述旋转黑洞外部时空的广义相对论精确解。
- light ring光环
- 光子能绕黑洞做圆周运动的最内层轨道,决定阴影形状。
- cosmic censorship宇宙监督假设
- 猜测物理奇点总被事件视界遮挡,裸奇点不会在自然界出现。
- matched filtering匹配滤波
- 用理论波形模板与探测器输出比对,从噪声中提取引力波信号。
- last parsec problem最后一秒差距问题
- 两个超大质量黑洞靠近到约 1 秒差距后缺乏机制继续合并,与观测矛盾。
收听指南
研究引力波、黑洞或宇宙学的科研人员和工程师,以及想听一线理论家如何用数据验证黑洞概念的科学爱好者。
对基础概念熟的听众可跳过开头定义段,从 10:47 无毛定理处开始。