又一个颠覆常识！粒子能完全静止在旋转时空中？当一巨大天体物理对象

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当一巨大天体物理对象，如玻色星或黑洞旋转时，它会使周围的时空随它旋转，这是由于框架拖拽的影响。在一篇新的论文中，物理学家们已经证明，只要有一个具有正确性质的粒子，如果它占据了一个“静止轨道”，它就可以完全静止在一个旋转的时空中——这是一圈点，它位于旋转时空中心的一个临界距离。德国奥尔登堡大学(University of Oldenburg)的物理学家卢卡斯·g·卡洛德(Lucas G. Collodel)、伯克哈德·克莱豪斯(Burkhard Kleihaus)和朱达·昆兹(Jutta Kunz)发表了一篇论文，发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上提出了在旋转空间中存在静止轨道的理论。

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当一个带有一定角动量的粒子位于临界距离rst时，它仍然处于静止状态，而时空在它周围旋转。一个粒子离这个临界距离越近，它移动的越慢。图片：Collodel et al. 2018 American Physical Society

该研究表现出极端的简单性，这是一个长期被忽视的特征，在某些太空时代，这是相当违反直觉的。广义相对论已经存在了一百多年了，它从来没有停止过，并且探索不同能量分布可以以一种非平凡的方式扭曲时空的几何，这是加深理解的关键。在论文中，物理学家确定了一个粒子在旋转时空中保持静止的两个标准。首先，粒子的角动量(基本上是它自己的旋转)必须有正确的值，这样它就能完美地抵消由于帧拖动而导致的旋转。第二，粒子必须精确地定位在静止轨道上，围绕旋转时空中心的环，粒子既不向中心移动，也不被推开。

关键的一点是，并非所有具有旋转空间的天体物理对象都有静态的轨道，这在将来可能有助于研究人员区分不同类型的天体物理对象。正如物理学家解释的那样，为了拥有一个静止的轨道，一个旋转的时空的度量(基本上是描述广义相对论中的空间时间函数)必须有一个局部最小值，它对应于静止轨道所在的临界距离。从某种意义上说，一个粒子可能会被“困”在这个局部最小值中。物理学家们发现了一些有静态轨道的天体物理物体，包括玻色子恒星(由玻色子构成的假想恒星，它们像黑洞一样，有着巨大的引力，但不发光)、虫洞和有毛的黑洞(有独特性质的黑洞，比如额外的电荷)。

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另一方面，Kerr黑洞(被认为是最常见的黑洞)没有带有局部最小值的指标，所以没有静态轨道。因此，静态轨道的证据可以提供一种方法来区分克尔黑洞和一些不太常见的有静态轨道的物体。可能是不可能指望一个粒子角动量与合适的存在在合适的地方以保持静止在一个旋转的时空，它可能仍然可以检测静态存在的轨道由于附近发生了什么。最初在静止轨道附近静止的粒子被预测会比更远的地方移动得更慢。

因此，即使研究人员从未观察到一个静止的粒子，他们也可以观察到附近的缓慢移动的粒子，表明附近有一个静止轨道。静态环的存在有助于我们更好地了解计划和期望从未来的观察中得到什么，例如可以搜索这个环，以确定可能的奇异物体，比如玻色星，甚至可以确信(观察到环)，一个AGN（活动星系核）并不是由一个Kerr黑洞驱动的。在未来，计划研究环的存在会如何影响吸积盘，在这个阶段更容易观察，如果它能保护一些物体不掉落物。

博科园-科学科普｜参考期刊：物理评论快报｜文：Lisa Zyga/Phys