當黑洞快速旋轉時它們會獲得新的力量

廣義相對論是一個極為複雜的數學理論，但是黑洞的描述卻非常簡單。一個穩定的黑洞可以用三個特性來描述：它的質量，它的電荷以及它的旋轉或自旋。由於黑洞不太可能帶很多電荷，因此它實際上僅具有兩個屬性。如果您知道黑洞的質量和自旋，那麼您將了解有關黑洞的所有知識。

該性質通常由無毛定理（No-hair theorem）來概括。具體來說，這個定理斷言，一旦物質落入黑洞，剩下的唯一特徵就是質量。就廣義相對論而言，質量就是質量。在每種情況下，黑洞的事件視界（event horizon）都是完全平滑的，沒有任何額外的特徵。正如雅各·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）所說，黑洞沒有毛髮。

但是廣義相對論儘管具有所有的預測能力，但在量子理論上還是有問題。對於黑洞，尤其如此。如果無毛定理是正確的，那麼當對像中的資訊（information）越過事件視界時，該資訊就會受到破壞。量子理論說，資訊永遠不會破壞。因此有效的引力貝肯斯坦理論與量子的有效理論相矛盾。這導致了諸如防火牆悖論（firewall paradox）之類的問題，無法確定事件視界範圍是炎熱還是寒冷。

現時有科學家提出了幾種理論來解決這個矛盾，通常涉及相對論的擴展。只有在極端情況下才能看到標準相對論與這些修改過的理論之間的差異，這使到它們很難進行觀測性研究。

新理論通過旋轉黑洞來研究它們。許多修改過的相對論都有一個標準理論中沒有的額外參數。稱為無質量標量場（massless scalar field），它允許愛因斯坦的模型以不矛盾的方式與量子理論聯繫起來。在這項新工作中，研究小組研究了這種標量場如何與黑洞的旋轉聯繫起來。他們發現，在低自旋時，修改後的黑洞與標準模型沒有區別，但是在高旋轉時，標量場使黑洞具有額外的功能。換句話說，在這些替代模型中，快速旋轉的黑洞可能會出現毛髮。

旋轉黑洞的毛茸茸方面只會在事件視界本身附近看到，但它們也會影響合併黑洞。未來的重力波觀測站應該能夠使用快速旋轉的黑洞來確定相對論的替代方案是否有效。

到目前為止，愛因斯坦的廣義相對論已經克服了所有觀測難題，但它可能會在宇宙的最極端環境中崩潰。例如這一類的研究，問題是我們如何能夠發現接下來的理論。

【圖、文：節譯自今日宇宙網頁】