黑洞可能把自己的“毛发”甩掉，只留下一个玻色子星

如果宇宙中有什么东西是永恒的，那便是黑洞——至少它们的物理特性是这样暗示的。

这些极端致密的天体拥有不可抗拒的引力场。物质进去，极少有东西出来。它们像句号一样点缀着宇宙，稳步地不断变大，几乎没有什么能动摇它们的必然性。

但这并不意味着黑洞不可侵犯。理论物理学家刚刚发现了一种黑洞衰变的方式，比黑洞本身还要离奇。

根据葡萄牙阿威罗大学的若泽·费雷拉、卡洛斯·埃尔德罗、欧根·拉杜和米格尔·济良的研究，黑洞有可能把自己的“毛发”甩出去——在身后留下一个功能完整的玻色子星。

“也许最引人注目的结果是，我们找到了一种‘长毛黑洞’衰变的新方式，”研究人员告诉我们。

“在我们称为‘裂变’的一种情形中，黑洞及其周围的标量结构都没有被摧毁。相反，这个复合天体分裂成了两个各自独立存在的天体：一个没有毛发的黑洞，以及一团自引力的标量物质——一个玻色子星。”

好吧，这里涉及的内容很多。

让我们从黑洞说起。尽管它们是物理学中最极端的天体之一，但在标准广义相对论下，黑洞实际上相当简单——一旦它们稳定下来并各司其职，描述其行为所需的参数少得惊人——比如自旋和质量。

但这并不意味着这些参数就是全部。事实上，我们不知道黑洞空间中还可能潜藏着什么其他参数——但数学允许物理学家探索一些非常奇特的可能性。

这些额外的特征被称为“毛发”，其中一种毛发可以表现为标量场。

物理学家有充分的理由去构想这种奇异的配置。黑洞提供了宇宙中一些最极端的实验室，有可能让研究人员探测到难以通过其他手段检测的物质形态和场。

因此，如果一个黑洞能够支持某种奇异的“毛发”，研究它就可能为目前已知粒子或场之外的粒子或场提供线索。

标量场可以被看作是一种渗透空间的不可见介质。从粒子的角度来说，它也可以被描述为一组没有自旋的粒子。

在某些模型中，这种场可以在黑洞周围凝聚成类似云的东西——虽然不一定是稀薄的云。它可以占据整个系统质量的相当大一部分，产生自己强大的引力场。

“通常人们可能认为这些物质会直接落入黑洞。然而，在这些解中，存在一种特定的共振机制，使得标量场和黑洞视界能够保持平衡，”研究人员说。

“重要的未解问题是，一旦允许一般性扰动，这种平衡是否真的稳定。我们的模拟表明，对于我们研究的配置而言，它并不稳定。”

最初的模拟表明这些长毛黑洞可能是稳定的——但那些模拟施加了球对称条件。

尽管黑洞存在于三维空间中，但一个方向上发生的事情必须在其他所有方向上也完全相同地发生。这使得计算大大简化，但阻止了系统变得不对称。

后来允许非球对称动力学的研究揭示了一个模型中的不稳定性。费雷拉及其同事想弄清楚，这种不稳定性是该特定模型的特殊现象，还是这些长毛黑洞更普遍的特征——以及当不稳定性增长时最终会发生什么。

他们使用数值模拟追踪了几种不同的长毛黑洞配置随时间的演化，允许系统在不同方向上以不同方式演化。

但还有一块拼图。在适当条件下，黑洞周围的标量场可以通过自身引力保持在一起，形成一个假想的、无视界、透明的天体，称为玻色子星。

所以你可以把这个系统看作是两个组成部分绑定在一起，但能够独立存在。

他们的结果分为两种可能的结果。

第一种，研究人员称之为“吸收”，大概是你所预料的。不稳定性导致维持长毛黑洞的微妙平衡崩溃。黑洞吞噬周围的标量场，留下一个没有毛发的——或者说“光头”——黑洞。

第二种情形，研究人员称之为“裂变”，这才是事情变得超级怪异的地方。

“黑洞和标量配置通过引力吸引和电磁排斥之间的竞争而保持在一起。在裂变情形中，黑洞恰好位于玻色子星中心的对称配置是一种不稳定平衡，”研究人员解释道。

“一个有用的类比是放在山顶上的球。如果放在恰好正确的位置，它可以留在那里，但最轻微的推动就会让它滚走。”

这就是他们观察到的现象。微小的扰动就足以把黑洞推离中心。它没有回到平衡，而是逐渐地越移越远——最终像粉刺一样从标量场中弹出来。

标量场保持在一起，作为一个玻色子星继续存在，而黑洞，如今已经光头了，走上了自己的路。

长毛黑洞的命运似乎至少部分取决于其标量毛发有多致密。更致密的配置倾向于被吸收，而更松散的配置则更容易发生裂变。

这种趋势在两种不同的标量势中都成立。

这并不意味着黑洞现在正在宇宙中到处随意地从玻色子星中弹出来。首先，玻色子星仍然被归入“假想”类别。

其次，研究人员警告说，这个特定设置主要是一个玩具模型，而不是天体物理黑洞的现实模型。

“该机制依赖于普通电荷，而天体物理黑洞预计携带极少的净电荷，”他们表示。

“所以我们不会声称这里模拟的特定天体很可能是天体物理天体。相反，我们揭示的机制可能指向一种更广泛的现象，也可能在更现实的模型中发生。”

研究人员想要调查的一种可能性是，在其他长毛黑洞模型中，旋转是否可以扮演类似于电荷的角色。

如果这种不稳定性的天体物理上合理的版本确实存在，它可能并非完全不可见。

“这种类型的剧烈对称破缺过程应该会产生特征性的引力波信号。特别是在裂变情形中，动力学与两个黑洞合并等熟悉的过程非常不同，因此人们会期望波形带有独特的特征，”研究人员解释道。

“确定这些波形到底长什么样，以及它们是否能够现实地被探测到并与其它源区分开来，需要进一步的专门研究。我们认为这是一个特别有趣的未来研究方向。”

该研究已发表在《物理评论D》上。

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