天体物理学家发现黑洞“无毛”

根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，黑洞的行为取决于两个数值：其质量大小以及旋转速度。仅此而已。黑洞被认为 “无毛”，即没有能将其与具有相同质量和自旋的其他黑洞区分开来的特征。

随着新数据的出现，开始有可能对这一 “无毛猜想” 进行检验。在过去10年里，天文学家已经探测到数百个来自黑洞碰撞的信号。在这些剧烈事件中，两个存在于时空结构中的不可见、无法逃脱的深渊相互环绕，速度越来越快，然后合并成一个巨大的黑洞。这个黑洞在碰撞后稳定下来时会像果冻一样抖动。合并和抖动会产生被称为引力波的涟漪，这些涟漪在宇宙结构中向外传播，抵达地球上的探测器。如果广义相对论是正确的，那么这些抖动具有千篇一律的形式，只取决于每个黑洞的质量和自旋。（理论上，黑洞还有第三个定义属性：电荷。但实际的天体物理黑洞净电荷可以忽略不计。）如果该理论是错误的，天文学家可能会观察到一些新现象，即揭示每个黑洞独特历史和构成的微妙差异。

“随着时间推移，事件不断累积，我们意识到我们可以对广义相对论或其替代理论进行更有力、更可靠的检验。” 哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的物理学家维托尔·卡多索说道。

卡多索和其他几十位引力波天文学家最近总结了这些检验的现状。他们在5月底发布的报告涵盖了多种方法和结果，其中包括卡多索及其同事去年秋天对引力波信号的分析。通过整合多个黑洞碰撞的数据，该团队发现，就他们所能判断的而言，数据与爱因斯坦的理论相符。任何与广义相对论对黑洞周围时空形状预测的偏差，即任何 “毛发”，都必须位于距离黑洞不到40公里的范围内。

到目前为止，尚未观测到 “毛发”。但理论家们继续思考众多可能性，爱因斯坦理论中的一些漏洞表明，微妙的量子 “毛发” 应该存在，即使要发现它们可能极具挑战性，甚至在实际操作中几乎不可能。

黑洞是否有 “毛” 的问题与现代物理学中最大的谜题密切相关：广义相对论如何与量子理论融合？

想象一个物体穿过黑洞的 “不归点”，即事件视界的情景。根据广义相对论，所有外界观察者能看到的，只是被吞噬的物体如何影响描述黑洞的两个数值：物体增加了多少质量，以及它使黑洞旋转速度加快或减慢了多少。

然而，关于被吞噬物体所有其他信息的消失，与量子力学的核心原则之一相冲突。量子理论要求所有信息都得以保留，并且理论上仍然可获取，否则量子概率之和将无法达到必须的100%。理论物理学家长期以来一直对广义相对论与量子力学预测之间的这种冲突着迷，这就是所谓的信息悖论。

2012年，物理学家表明这个悖论与事件视界的性质紧密相连。自20世纪70年代以来，他们就知道黑洞会发射辐射，并且这种辐射可能以某种方式携带了落入黑洞物质的杂乱信息。现在他们设想，如果一名即将穿过古老黑洞视界的宇航员与远处的人交流，而这位远处的观察者收集了该黑洞一生中发射的辐射，会发生什么情况。这个思想实验的结果令人困惑：宇航员和远处的观察者最终会得到相同信息的两个副本，一个是在黑洞漫长的生命中收集到的，另一个则来自近处。多余的副本是个问题，再次破坏了量子力学所依赖的精确概率计算。一些物理学家得出结论，在事件视界之外一定发生了某种奇怪的事情，干扰了宇航员收集信息。

为解决信息悖论所做的尝试，通常会在事件视界之外添加额外细节，即所谓的量子 “毛发”。2012年提出关于宇航员思想实验的研究人员认为，一层被称为 “防火墙” 的极高能粒子壳可能就位于事件视界之外，打破了两个观察者之间的联系。另外，物理学家萨米尔·马图尔认为黑洞根本没有视界。相反，他说它们是 “毛球”，每个都是许多不同时空构型的量子组合或叠加，使得黑洞的边缘变得模糊。

其他想法包括 “引力星”，它们类似于黑洞，但被奇异物质壳包围，以及所谓的 “规则黑洞”，这是对传统黑洞概念的重新构想，其中心不存在被称为奇点的无限密集点。

这些众多的提议都在事件视界之外引入了新效应，这些效应应该会改变振动黑洞发射引力波的方式。

所提出的效应通常非常接近事件视界，可能仅在10⁻³³厘米范围内，即所谓的普朗克长度。如此短的量子 “毛发” 不会作为黑洞碰撞信号的变化而被直接观测到，但可能以其他方式显现。例如，当引力波从事件视界附近的防火墙或其他结构反弹时产生的异常后效应，即所谓的 “回声”，可能会在初始信号之后出现。

到目前为止，对 “回声” 的搜索尚无结果。然而，这些失败的搜索并不能排除量子 “毛发” 的可能性，因为不清楚哪些类型的量子 “毛发” 会产生 “回声”，哪些不会，也不清楚 “回声” 究竟会如何出现。

与此同时，物理学家也可以寻找 “更长” 的 “毛发”，即更明显偏离爱因斯坦理论的现象。从理论上讲，这种情况出现的可能性较小，但另一方面，黑洞附近高度弯曲的时空对天文学家来说是一个全新的环境，他们不确定可能会发现什么。也许在这些条件下，时空的弯曲方式与广义相对论的预测不同。

“我认为去测试这一点是一项有价值的工作。” 加拿大滑铁卢大学的天体物理学家尼亚耶什·阿夫肖尔迪说。

自2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到黑洞碰撞以来，物理学家一直试图利用这些数据来检验爱因斯坦的理论。随着欧洲的处女座（Virgo）和日本的神冈引力波探测器（KAGRA）等其他天文台投入使用，该项目加速推进。但一个重大的数学难题横亘在前：相互碰撞的黑洞总是在旋转，这大大增加了计算的复杂性。数学家罗伊·克尔早在1963年就计算出了旋转黑洞在爱因斯坦方程框架下的行为。但如果这个框架是错误的呢？

2023年，鲁汶大学的一组物理学家解决了这个问题。他们开发了一种技术，用于理解如果爱因斯坦的理论被修改，快速旋转的黑洞会如何表现。

同年晚些时候，在一次会议上，鲁汶大学团队的一名研究生西蒙·梅诺与当时在哥本哈根的博士后研究员格雷戈里奥·卡鲁洛相遇，卡鲁洛是分析引力波信号的专家。他们意识到可以用卡鲁洛的数据来检验鲁汶大学团队的理论，并且立即付诸行动。“我们几乎是随便找了张空桌子，就开始一起编程。” 现就职于伯明翰大学的卡鲁洛说。

他们整合了22次黑洞碰撞的数据，确定如果所有碰撞都来自相同质量的黑洞，这些碰撞会呈现出怎样的情况。然后，他们将这些数据与鲁汶大学团队的预测进行比较。这种方法使研究人员能够提出这样的问题：假设爱因斯坦的理论在高度弯曲的时空中出现错误，并且类似防火墙或毛球的东西出现在事件视界之外，那么这种 “毛发” 可能有多长？在黑洞的行为可能与广义相对论预测不同之前，你得靠近到什么程度？

他们有95% 的把握排除了距离事件视界超过40公里处与爱因斯坦预测的任何偏差。对于大多数观测到的黑洞来说，这个距离略小于黑洞本身的半径。研究人员无论如何都无法给黑洞 “修剪毛发”，更不用说进行大多数物理学家认为测试信息悖论解决方案所需的 “剃光毛发” 了。但这一结果确实意味着黑洞并没有严重偏离爱因斯坦的理论。

LIGO、Virgo和KAGRA预计将在本十年剩余时间甚至更久继续运行，并且印度的另一个天文台预计在2030年左右加入。更多的数据将带来更精确的测量。