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万能光子球, 能解决黑洞信息悖论吗? 看看天文学家如何回答

202209月18日

万能光子球, 能解决黑洞信息悖论吗? 看看天文学家如何回答

黑洞到底是如其表面上简单,还是有许多信息隐藏在表象之下呢?

实际上,一些潜在的系外行星可能会是极小型黑洞

我们能解决黑洞信息悖论吗?(图片来源:美国国家航空航天局)

黑洞到底是如其表面上简单,还是有许多信息隐藏在表象之下呢?

科学家提出一些理论以试图解释所谓的黑洞信息悖论,他们认为黑洞比广义相对论所说的要复杂得多。我们在未来对于光子球(黑洞边缘的旋转光带)的观测将验证这些理论的正确性。

黑洞中的信息是未解之谜

信息悖论

根据阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论,黑洞简单得出奇。黑洞的质量、电荷和自旋,这就是黑洞的一切。事实上,黑洞具有宇宙中最简单、最易懂的特征。

显而易见的简单性却造成了悖论,令人百思不得其解。20世纪70年代,著名天体物理学家史蒂芬·霍金意识到黑洞并非是完全呈黑色的。与此相反,它们通过一个微妙的量子力学过程向外放出辐射,这个过程发生于它们的视界或黑洞的边界上。任何事物,包括光都无法从那里逃逸。

黑洞简单到只能用三个数字来描述。因此所有信息,所有落入黑洞的物质的信息,似乎都被永远封存。不管黑洞是由逝去的恒星和星际尘埃建造,还是由猫建造,只要这两个黑洞具有相同的自旋、质量和电荷,它们就会是相同的。

在霍金最初的辐射过程公式中,辐射并没有带走任何信息。但是,当黑洞发出辐射时,它会蒸发,最终完全消失,这就是所谓的黑洞信息悖论。如果一些信息落入一个黑洞,而信息无法被毁灭,那么当黑洞消失时,所有的信息都去了哪里?

在过去的几十年里,很多信息悖论的解释浮现。有些涉及到我们对广义相对论的知识扩展,有些涉及到将广义相对论与我们对量子力学的理解结合起来,有些则怪异至极。

截至目前,所有解释信息悖论的尝试都没有得到证实。直接观察黑洞是非常困难的,因为我们通常只在黑洞与周围环境相互作用(通常是吞下大量气体或尘埃)或它们合并并释放引力波时才能看到它们。

但在2019年,这一切发生了变化:当时一个名为“事件视界望远镜”的全球望远镜系统协同工作,拍摄了一幅位于室女座星系中心的M87*超大质量黑洞的图像。

这一图像震撼人心,使人印象深刻。图像中心的阴暗虚空是黑洞视界投射的阴影,阻止黑洞背后任何光线的穿透。黑洞旁的等离子体过热,发出幽灵般的光环,光环包围着这个空洞。

光子球:存在于黑洞视界中

这张图片能告诉我们黑洞视界的真实性质吗?

黑洞本身的视界远小于其阴影,但由于黑洞附近空间的极度扭曲,阴影显得极大。有趣的是,作为空间极端扭曲的结果,光子球位于视界和阴影边缘之间。光子球是黑洞附近的一个区域,那里的重力非常强,以至于光本身可以围绕黑洞旋转。

该区域的轨道不稳定:光子可以环绕黑洞旋转几圈,但它们不会永远停留。最终,它们会泄漏,在黑洞周围形成一个薄而可见的光环。

在经典的广义相对论中,光子球非常薄,几乎不存在,而且非常微弱,无法在事件视界望远镜拍摄的M87*黑洞的图像中观测到。

如今,一组研究人员在试图解释黑洞信息悖论的理论中研究了光子球的特性。他们发现一些复杂的关于黑洞视界的理论会影响周围的环境,包括光子球。该研究小组在最新发表于预印预收录数据库的一篇论文中写道,在一些理论中,光子球可能会更宽,因此对我们来说会更明亮。

尽管变化已出现,但经典相对论对光子球的预测和这些外来模型的预测之间的差异仍太小,无法用事件视界望远镜观测到。但它拍摄到的这张惊人图像不会是我们拍摄到的最后一张黑洞照片。未来我们对M87*黑洞和其他超大质量黑洞的研究将提供更高分辨率的图像。如果我们能够解析光子环,研究它的宽度和亮度,将找到有关视界性质的线索,并最终解释黑洞信息悖论。

BY:Paul Sutter

FY: 木乙山

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