广义相对论是一个极其复杂的数学理论,但对黑洞的描述却非常简单。一个稳定的黑洞可以用三个特征来描述:它的质量,它的电荷,它的旋转或自旋。因为黑洞不太可能携带太多电荷,所以它实际上只有两个性质。如果你知道黑洞的质量和自旋,你就会知道黑洞的一切。

这个性质通常用无毛定理来概括。具体来说,该定理断言,一旦物质落入黑洞,唯一剩下的特征就是质量。你可以从太阳的氢气里,从椅子上或者祖母的阁楼上的旧版本的《国家地理》里挖出一个黑洞,没什么区别。就广义相对论而言,质量就是质量。在任何情况下,黑洞的视界都是完全平滑的,没有任何额外的特征。正如雅各布·贝肯斯坦所说,黑洞没有毛发。

然而,虽然广义相对论具有所有的预测能力,但量子理论仍然存在一些问题。对于黑洞来说尤其如此。如果无毛定理是正确的,那么物体中的信息在穿越事件视界时就会被破坏。量子论说信息永远不会被破坏。因此,有效引力理论与量子有效理论相矛盾。这就导致了防火墙悖论等问题,无法确定事件范围是热的还是冷的。

为了解决这个矛盾,人们提出了几种理论,通常涉及到相对论的推广。但标准相对论与这些修正理论的区别只能在极端情况下才能看到,这使得他们很难进行观测研究。但是《物理评论快报》上的一篇新论文展示了如何通过旋转黑洞来研究它们。

温度能量

 

许多修正的相对论都有一个标准理论中没有的额外参数。它被称为无质量标量场,这使得爱因斯坦的模型可以以一种不矛盾的方式与量子理论联系起来。在这项新工作中,研究小组研究了这个标量场与黑洞旋转的关系。他们发现,在低自旋下,修正后的黑洞无法与标准模型区分开来,但在高自旋下,标量场使黑洞具有额外的功能。换句话说,在这些替代模型中,快速旋转的黑洞可能有毛发。

旋转黑洞的毛茸茸的方面只能在事件视界附近看到,但它们也影响合并黑洞。正如作者所指出的,未来的重力波观测站应该能够利用快速旋转的黑洞来确定相对论的替代方案是否有效。

到目前为止,爱因斯坦的广义相对论已经克服了所有的观测挑战,但在宇宙最极端的环境下可能会崩溃。像这样的研究表明我们如何发现以下理论。