一项新的太空任务可能会帮助物理学家回答有关黑洞的棘手问题

物理学家认为黑洞是现存最神秘的物体之一。讽刺的是，它们也被认为是最简单的之一。多年来，像我这样的物理学家一直在寻求证明黑洞比看起来更复杂。新批准的名为LISA的欧洲太空任务将帮助我们进行这次搜寻。

20世纪70年代的研究表明，您可以仅使用三个物理属性(质量、电荷和自旋)来全面描述黑洞。这些巨大的垂死恒星的所有其他特性，比如它们的详细成分、密度和温度分布，在它们转变为黑洞时都会消失。他们就是这么简单。

黑洞只有三个属性的想法被称为“无毛”定理​​，这意味着它们没有任何使它们变得复杂的“毛”细节。

毛茸茸的黑洞?

几十年来，天体物理学界的研究人员一直在利用无毛定理假设中的漏洞或解决方法来提出潜在的毛状黑洞场景。原则上，毛状黑洞具有科学家可以测量的物理特性，该特性超出了其质量、电荷或自旋范围。该属性必须是其结构的永久部分。

大约十年前，多伦多大学的物理学家斯特凡诺斯·阿雷塔基斯(StefanosAretakis)用数学方法证明，一个含有其所能容纳的最大电荷的黑洞(称为极值带电黑洞)会在其视界上形成“毛发”。黑洞的视界是任何穿过它的东西(甚至光)都无法逃脱的边界。

黑洞是巨大而神秘的天体。

阿雷塔基斯的分析更多的是使用高度简化的物理场景的思想实验，因此这不是科学家期望从天体物理学上观察到的东西。但增压黑洞可能不是唯一有毛发的黑洞。

由于已知诸如恒星和行星之类的天体物理物体会旋转，因此科学家预计黑洞也会根据黑洞的形成方式而旋转。天文学证据表明黑洞确实有自旋，尽管研究人员不知道天体物理黑洞的典型自旋值是多少。

通过计算机模拟，我的团队最近在黑洞中发现了类似类型的头发，它们以最大速度旋转。这种头发与地平线上时空曲率的变化率或梯度有关。我们还发现，黑洞实际上并不需要最大程度地旋转才能有头发，这一点很重要，因为这些最大程度旋转的黑洞可能不会在自然界中形成。

检测和测量头发

我的团队希望开发一种可能测量这种头发的方法——一种新的固定属性，可以描述黑洞超越其质量、自旋和电荷的特征。我们开始研究这样的新特性如何在快速旋转的黑洞发出的引力波上留下签名。

引力波是时空的微小扰动，通常由宇宙中剧烈的天体物理事件引起。黑洞和中子星等致密天体物理物体的碰撞会发出强烈的引力波。包括美国激光干涉仪引力波天文台在内的国际引力观测站网络定期探测这些波。

LISA航天器在绕太阳运行时观测来自遥远源的引力波。图片来源：西蒙·巴克/大学。佛罗里达州,CCBY

我们最近的研究表明，人们可以从快速旋转黑洞的引力波数据中测量这些毛茸茸的属性。查看引力波数据提供了获得某种特征的机会，可以表明黑洞是否具有这种类型的头发。

我们正在进行的研究以及该团队的学生SomBishoyi最近取得的进展都是基于快速旋转黑洞的理论和计算模型的结合。我们的发现尚未在现场进行测试，也没有在太空中真实的黑洞中进行观察。但我们希望这种情况很快就会改变。

LISA获得许可

2024年1月，欧洲航天局正式采用天基激光干涉仪空间天线(LISA)任务。LISA将寻找引力波，来自任务的数据可以帮助我的团队解决棘手的黑洞问题。

正式通过意味着该项目已获准进入施工阶段，计划于2035年启动。LISA由三艘航天器组成，配置成完美的等边三角形，将在地球后面绕太阳运行。每艘航天器相距160万英里(250万公里)，它们将交换激光束以测量彼此之间的距离，小至约十亿分之一英寸。

LISA将探测来自超大质量黑洞的引力波，这些黑洞的质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。它将构建旋转黑洞周围的时空地图，这将帮助物理学家以前所未有的精确度了解引力如何在黑洞附近发挥作用。物理学家希望LISA也能够测量黑洞可能具有的任何毛状属性。

LIGO每天都会进行新的观测，LISA可以让我们一睹黑洞周围的时空，现在是黑洞物理学家最激动人心的时代之一。

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