Allmän relativitetsteori är en djupt komplex matematisk teori, men dess beskrivning av svarta hål är otroligt enkel. Ett stabilt svart hål kan beskrivas med bara tre egenskaper: dess massa, dess elektriska laddning och dess rotation eller spin. Eftersom svarta hål sannolikt inte har mycket laddning krävs egentligen bara två egenskaper. Om du vet ett svart håls massa och spinn, vet du allt som finns att veta om det svarta hålet.
Denna egenskap sammanfattas ofta av no-hair teorem. Specifikt hävdar satsen att när materia väl faller in i ett svart hål, är den enda egenskapen som återstår massa. Du kan göra ett svart hål av en sols värde av väte, stolar eller de där gamla kopiorna avnationella geografiskafrån mormors vind, och det skulle inte bli någon skillnad. Massa är massa när det gäller allmän relativitet. I alla fall är händelsehorisonten för ett svart hål perfekt jämn, utan extra funktioner. Som Jacob Bekenstein sa, svarta hål har inget hår.
Konflikten mellan relativitetsteori och kvantteori leder till brandväggsparadoxen. Kredit: Jeremy Perkins / Unsplash
Men med all sin prediktiva kraft har generell relativitet ett problem med kvantteorin. Detta gäller särskilt med svarta hål. Om no-hair-satsen är korrekt, förstörs informationen i ett objekt när det korsar händelsehorisonten. Kvantteorin säger att information aldrig kan förstöras. Så den giltiga teorin om gravitation motsägs av den giltiga teorin om kvantan. Detta leder till problem som t.ex brandväggsparadox, som inte kan avgöra om en händelsehorisont ska vara varm eller kall.
Flera teorier har föreslagits för att lösa denna motsägelse, ofta med utvidgningar av relativitetsteori. Men skillnaden mellan standardrelativitet och dessa modifierade teorier kan bara ses i extrema situationer, vilket gör dem svåra att studera observationellt. Men en ny tidning inFysiska granskningsbrevvisar hur de kan studeras genom ett svart håls spinn.
Temperaturen i ett rum är ett exempel på ett skalärt fält. Kredit: Lucas Vieira
Många modifierade relativitetsteorier har en extra parameter som inte syns i standardteorin. Känt som ett masslöst skalärfält tillåter det Einsteins modell att ansluta till kvantteori på ett sätt som inte är motsägelsefullt. I detta nya arbete tittade teamet på hur ett sådant skalärt fält ansluter till rotationen av ett svart hål. De fann att vid låga snurr kan ett modifierat svart hål inte skiljas från standardmodellen, men vid höga rotationer tillåter det skalära fältet att ett svart hål har extra funktioner. Med andra ord, i dessa alternativa modeller kan snabbt roterande svarta hål ha hår.
De håriga aspekterna av roterande svarta hål skulle bara ses nära själva händelsehorisonten, men de skulle också påverka sammanslagna svarta hål. Som författarna påpekar bör framtida gravitationsvågsobservatorier kunna använda snabbt roterande svarta hål för att avgöra om ett alternativ till allmän relativitet är giltigt.
Einsteins allmänna relativitetsteori har klarat varje observationsutmaning hittills, men den kommer sannolikt att gå sönder i universums mest extrema miljöer. Studier som denna visar hur vi kanske kan upptäcka teorin som kommer härnäst.
Referens:Alexandru Dima, et al. ' Spin-inducerad svart hål spontan skalarisering .'Fysiska granskningsbrev125,23 (2020): 231101.