黑洞只有兩個參數,形成機制卻仍是謎
引力波與 EHT 確認黑洞確實只有兩個參數,但 120 倍太陽質量的黑洞如何形成、暗物質是否由微型黑洞構成、最後 1 秒差距如何跨越,都是未解之謎。
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觀測派和理論派說的不是同一個黑洞
同一個黑洞,觀測派只把它當作又重又暗的質點,用來解釋與附近物質的引力交互;理論派則把它看成時空彎曲到時間在事件視界停住的特殊幾何。定義不同導致研究方法相反——觀測派外推,理論派放大到小尺度結構。這決定了後面所有關於「如何證明我們看到的是黑洞」的爭論。
— Vitor Cardoso全宇宙萬億個黑洞只差兩個參數
真空中穩態的克爾黑洞只由質量和自轉兩個參數決定,全宇宙萬億個黑洞都一樣;電荷理論上存在但宇宙會中和掉。不過這個定理依賴真空與穩態兩個假設,而真實宇宙有物質、有變化。Cardoso 的工作就是打破這些假設,看黑洞的輻射和動力學會不會因此改變。
— Vitor Cardoso奇點總被視界擋住,至今只是個猜想
如果地球突然坍縮成黑洞,它會因自轉太快而根本形不成視界;方程給出的結果是裸奇點,而我們對沒有視界庇護的坍縮沒有理論。宇宙監督假設聲稱奇點總被視界擋住,但這只是猜想——在更高維時空的引力理論裡,它已經失效。物理學家至今不知道它是否正確。
— Vitor Cardoso120 倍太陽質量的黑洞本不該存在
引力波觀測看到最大 120 倍太陽質量的黑洞,但這個質量區間很難形成:超過 80 倍太陽質量的恆星會不穩定,傾向分裂而不是坍縮;先併合再長大的路徑也因黑洞太小、難相遇而走不通。同時每個星系中心都有百萬到十億倍太陽質量的超大質量黑洞,但介於兩者之間的中間質量黑洞只有零散證據。
— Vitor Cardoso用黑洞解釋暗物質,好得不像真的
用黑洞解釋暗物質必須先指定質量。太重的會被微引力透鏡暴露,觀測沒看到;太輕的會因 Hawking 輻射蒸發,留不到今天。微透鏡已排除大部分參數空間,只剩狹小角落。Cardoso 的判斷是:可能,但不太可能;他說這解釋「好得不像真的,有點孤注一擲」。
— Vitor CardosoEHT 那張照片九成不是測出來的
Event Horizon Telescope 拍的不是事件視界,而是光子最內層軌道的「光環」。更關鍵的是,M87 和銀河系中心的圖像極其模糊,實際測量只佔約 10%,另外 90% 來自基於上萬次黑洞周圍物質模擬的先驗知識。Cardoso 認為理想未來是分辨率足夠高、不再需要先驗重建的儀器。
— Vitor Cardoso看更低頻的信號要把干涉臂拉到 100 萬公里
LIGO 之後,KAGRA 已運行,2030 年左右印度也將加入;歐洲在規劃愛因斯坦望遠鏡(地面、升級版 LIGO),歐美在推進 LISA 上天。LISA 把干涉臂從 LIGO 的 4 公里拉到約 100 萬公里,探測 20 赫茲到 1 千赫茲之外的更低頻信號,目標是超大質量黑洞併合乃至宇宙誕生早期的不均勻性。
— Vitor Cardoso旋轉黑洞周圍可能長出一個氫原子
旋轉黑洞能把低頻率入射波放大後彈回;若波有質量,逃逸會失敗、掉回去再被放大,形成「黑洞炸彈」。Axion 有質量又很輕,於是理論預言:若暗物質是 axion,自旋黑洞周圍會凝聚一圈 axion 雲,結構像氫原子——核是旋轉黑洞,雲是 axion。這套模型反覆出現在 Cardoso 的計算裡。
— Vitor Cardoso原話 · 已逐字校驗
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.
但如果去問更接近我這種做理論、關心基本概念的人,那黑洞是個完全不同的東西——它是把時空彎曲到時間在事件視界處停止的物體。
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——我們以為存在的數萬億個黑洞——全都只由兩個參數完全決定。
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.
如果我們的星球地球突然決定坍縮成黑洞,地球的所有物質都掉進黑洞裡,那它也成不了黑洞,因為它自轉太快了。方程告訴我們的是:不會形成視界。
Vitor Cardoso19:34
We see black holes exist all the way up to 120 solar masses. We don't really know how they form.
我們看到黑洞一直存在到 120 倍太陽質量。我們並不真正知道它們是怎麼形成的。
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.
所以如果暗物質以黑洞的形式存在,那麼偶爾,一個微型黑洞會從某顆恆星前經過,它會彎曲那顆恆星的光,我們會看到那顆恆星的光在變化。而我們從沒見過這種情況。
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.
它們是在大約只有 10% 實測數據的基礎上重建出來的。所以圖像裡 90% 是重建的,而且重建依據是我們做的成千上萬次黑洞周圍物質模擬。
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.
引力波不按光速傳播——所以我一直在期待這方面的新聞。所以我總有點,不是說抑鬱,而是:好吧,光速測到了 15 位小數。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.
想想就著迷:如果暗物質以 axion 的形式存在,那麼可能有一套系統看起來像原子——原子核是一個旋轉黑洞,周圍環繞著一團雲,就像氫原子那樣,一團 axion 雲。
Vitor Cardoso1:00:37
數字與實體
| 決定黑洞全部性質的參數個數 | 2(質量與自轉) | 10:47 |
| 觀測到的最大恆星質量黑洞 | 120 倍太陽質量 | 20:52 |
| 恆星不穩定的質量閾值 | 80 倍太陽質量以上 | 22:33 |
| LIGO 干涉臂長 | 4 公里 | 42:38 |
| LISA 干涉臂長 | 約 100 萬公里 | 42:38 |
| EHT 圖像中重建比例 | 約 90% | 37:15 |
| 引力波與光信號到達時間差(GW170817) | 1.4 秒 | 40:57 |
| 雙黑洞併合事件中觀測到的光子對應體 | 從未見過(已見兩三百次併合) | 38:17 |
術語
- no-hair theorem無毛定理
- 真空中穩態黑洞僅由質量、自轉(及電荷)決定,沒有其它自由度。
- Kerr metric克爾度規
- 描述旋轉黑洞外部時空的廣義相對論精確解。
- light ring光環
- 光子能繞黑洞做圓周運動的最內層軌道,決定陰影形狀。
- cosmic censorship宇宙監督假設
- 猜測物理奇點總被事件視界遮擋,裸奇點不會在自然界出現。
- matched filtering匹配濾波
- 用理論波形模板與探測器輸出比對,從噪聲中提取引力波信號。
- last parsec problem最後一秒差距問題
- 兩個超大質量黑洞靠近到約 1 秒差距後缺乏機制繼續合併,與觀測矛盾。
收聽指南
研究引力波、黑洞或宇宙學的科研人員和工程師,以及想聽一線理論家如何用數據驗證黑洞概念的科學愛好者。
對基礎概念熟的聽眾可跳過開頭定義段,從 10:47 無毛定理處開始。