@ 2017.04.24 , 12:35

如何观测裸奇点

印度孟买的塔塔基础研究院(TIFR)的科学家团队发现了一种检测裸奇点的新方法。

如何观测裸奇点
黑洞(左侧)和裸奇点(右侧)。虚线代表黑洞的事件视界,而裸奇点没有,箭头表示光线的行进路线。对于黑洞,由于事件视界的存在,所有内部光线必将终于奇点。然而,光线可以从裸奇点的附近逃离。
Credit: Sudip Bhattacharyya, Pankaj Joshi

当极大质量的恒星燃料耗尽时,由于自身的引力将会坍缩,形成物质密度无限大的极小区域,即“奇点”,通常的物理定律在此将不再适用。事件视界为不可见的闭合表面,包括光在内的任何事物都无法从中逃逸。如果奇点隐藏于事件视界内,则我们将其称为黑洞。在此情形下,无法观测到奇点,并且也无需考虑其作用。但如果事件视界没有形成呢?事实上,爱因斯坦的广义相对论预言大质量恒星在生命的最后坍缩时的确存在这种可能性。如果是这样,我们就有可能观测到裸奇点。

那么一个重要的问题就是,如何根据观测区分裸奇点和黑洞。爱因斯坦的理论预测了一个有意思的效应:在任何旋转物体附近由于旋转,时空网将会扭曲。这一效应将造成陀螺旋转,使得这些天体附近粒子的轨道旋进。TIFR团队近期称可根据旋转黑洞或者是裸奇点附近的陀螺旋进的速率(进动频率)鉴定该旋转物体。下面是他们结果的一种简单描述方式。如果一名宇航员记录下旋转物体附近两个固定点的陀螺旋进速率,可能存在两种可能性:(1)陀螺旋进频率的变化量为任意值,即陀螺的行为变化很大;(2)进动频率变化很小,行动方式规律。若为第一种情况,旋转物体为黑洞,第二种即为裸奇点。

如何观测裸奇点
大麦哲伦星云的黑洞模拟图。CC BY-SA 2.5

TIFR团队,即Chandrachur Chakraborty博士,Prashant Kocherlakota先生,Sudip Bhattacharyya教授以及Pankaj Joshi教授,及波兰合作团队Mandar Patil博士和Andrzej Krolak教授,事实上是证明了陀螺轨道的进动频率与事件视界的存在有关。从任何方向旋转接近黑洞的事件视界的陀螺轨道的行为都会变得越来越狂野,也即旋进得越来越快,而且无有边界。然而,如果是裸奇点,进动频率只会在赤道平面变得任意大,而在其他平面上都是有规律的。

TIFR团队还发现利用落入旋转黑洞或者裸奇点的物质的轨道旋进可以区分这种奇特的物体。这是因为随着物质越发接近旋转黑洞,轨道平面进动频率也会增大,但对于旋转裸奇点这一频率可能减小甚至变为零。由于可以通过物质辐射的X射线波长测量进动频率,这一发现可被用于区分现实中的裸奇点与黑洞。

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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