快讯神记|重磅研究：理论预测黑洞“事件视界”外必须至少存在一个光环！

黑洞是最神秘和最迷人的宇宙学现象之一，黑洞是空间中具有如此强烈引力场的区域，无论是物质还是辐射光都无法逃脱，当然黑洞也同样是一颗天体。在过去五年左右的时间里，天体物理学家收集了第一批关于黑洞周围强大引力的观测资料。 LIGO和室女座引力波天文的合作，使用世界上最先进的引力波探测器探测到这些黑洞天体周围的引力波。

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与此同时，事件视界望远镜研究小组捕捉到了第一张黑洞阴影的图像。虽然这两个观测都非常有希望和引人入胜，但它们都不太可能揭示事件视界，事件视界是定义黑洞周围空间中任何东西都无法逃脱的特定区域边界。尽管如此，它们应该包含一个指向恰好在视界之外邻近区域的特征，在那里，光传播路径被强烈地弯曲，以至于它的路径关闭了自己，形成了被称为光环的圆形轨道。
黑洞的光环
而研究这些光环最终，可以丰富我们目前对黑洞及其性质的理解。然而，到目前为止，仍然有许多问题没有得到回答，科学家对黑洞和黑洞周围的光环还远没有得到很好的理解。马克斯·普朗克引力物理研究所和葡萄牙阿韦罗大学的研究人员现在引入了一个定理，可以预测静止黑洞周围的光环。其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上，新研究定理表明：一般来说，静止黑洞都必须至少有一个光环。

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开展这项研究的两位研究人员佩德罗·库尼亚(Pedro Cunha)和卡洛斯·赫代罗(Carlos Herdeiro)表示：值得注意的是，黑洞光环的特性可以编码许多相关黑洞信息。通过测量这些性质，可以直接了解黑洞附近难以捉摸、但相当未知非常强大的引力区域。目前还不清楚爱因斯坦的广义相对论在这种极端条件下是否仍能很好地描述引力定律。因此，一个关键问题是：在任何引力理论中，任何黑洞模型都需要有光环吗？

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根据广义相对论，黑洞在平衡态和空空间中的性质受到很大限制。过去的宇宙学观测表明，这些经典黑洞都有光环轨道，这可能意味着任何可以想象到的黑洞也会有这些轨道。通过新研究，库尼亚和赫代罗试图研究外推光环轨道概念的可能性，并将其应用于具有一般物质含量的黑洞，或应用于另一种引力理论(即，不是广义相对论) 。新定理为一般静止黑洞必须至少有一个光环轨道的预测，提供了坚实的理论基础。
研究的创新论点研究引入了一种普遍、在数学上有创新的论点，确立了一个平衡黑洞作为规则，在每个旋转意义上确实必须至少有一个标准光环。要分析轻环，通常要考虑给定引力理论的解族，如广义相对论，或某种特定的修正引力模型。然而，这里的论证是拓扑性质的。拓扑学是一个特定的数学领域，它专注于研究当对象经历变形或形状和大小的其他更改时不受影响的几何特性。

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拓扑学研究的关键思想是，有些问题不受对象的确切形状和大小影响，而是受这些对象相互变形的方式影响。举个简单的例子：一个球体和一个甜甜圈有不同数量的洞，并且在拓扑上截然不同。相比之下，球体和立方体尽管具有不同的几何形状，但具有相同的拓扑。 Cunha和Herdeiro将基于拓扑的构造，应用到是否存在围绕黑洞的光环轨道问题上。
定理没有使用特定引力理论提供的运动方程来尝试回答这个问题，而是简单地研究了时空在黑洞附近和远离黑洞时的行为。换句话说，研究人员并不假设一个引力定律是正确的，而只是假设正确的引力定律允许黑洞的存在。然后，迫使时空结构服从一些规律性要求，黑洞的存在意味着事件视界外一定有一个光环。一个旋转的黑洞必须至少有两个光环：一个用于与黑洞旋转方向相同的光绕着黑洞旋转，另一个用于光以相反的方向绕着黑洞旋转。分页标题
新定律的预测新研究提供了一个新的理论视角，可以作为进一步研究黑洞周围光环的基础。主要优势是它的普遍性，因为它不遵循任何具体的引力理论，因此即使爱因斯坦的广义相对论在这种情况下不适用或不准确，它也是有效的。预测黑洞总是有光环，它们总是在事件视界之外，这会产生重要的后果。例如，它意味着黑洞的轮廓，也就是所谓的黑洞阴影，通常比人们预期的黑洞本身更大，因此，阴影应该总是黑洞的放大。

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虽然它在理论上可能是强大的，就像任何其他适用于真实系统的数学定理一样，研究人员引入的结构是基于一系列假设。在未来的研究中，研究人员计划改变其中的一些假设，并评估新定理的预测是改变还是保持不变。这个定理的一个关键假设是，在远离黑洞的地方没有引力场。然而，在宇宙中，有一个宇宙学常数驱动着宇宙的膨胀。无论距离黑洞有多远，这都会产生一个微小的引力场。理解这种微小的假设变化是否会改变新定理的结论，这将是非常有趣的。

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研究发表期刊《物理评论快报》
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