作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 一个黑洞被一个光环(由明亮的圆圈代表)和一个星际尘埃吸积盘(颜色较暗)包围的插图
通过模拟获得的黑洞图像显示在右下角，其中一个可见的发光环在内部划定了一个较暗的区域
信用:原始资料由美国国家航空航天局/JPL-加州理工学院提供
派尔和科学进展2020年3月18日:第一卷
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黑洞是宇宙中最神秘、最迷人的宇宙现象之一，其引力场如此之强，以至于任何物质或辐射都无法逃离黑洞
在过去五年左右的时间里，天体物理学家收集了黑洞周围强大引力的第一批观测数据
Virgo处女座的合作利用世界上最先进的引力波探测器探测到了这些天体周围的引力波
与此同时，事件视界望远镜研究小组捕捉到了黑洞阴影的第一张图像
虽然这两个观察都非常有希望和迷人，但它们都不可能揭示事件视界，即定义黑洞周围空间特定区域的边界，任何东西都无法逃离
尽管如此，它们应该包含一个指向事件视界外邻近区域的特征，在那里光被强烈弯曲，其路径在自身上方闭合，形成被称为光环的圆形轨道
研究这些光环最终会丰富我们目前对黑洞及其性质的理解
然而，到目前为止，许多问题仍然没有答案，我们仍然远远没有很好地理解黑洞和围绕它们的光环
德国马克斯·普朗克引力物理研究所和葡萄牙阿威罗大学的研究人员最近引入了一个定理，可以预测静止黑洞周围的光环
他们发表在《物理评论快报》上的一篇论文中的定理表明，一般来说，平衡黑洞的每一个旋转方向上必须至少有一个光环
“值得注意的是，光环的特性可以编码许多相关的黑洞信息，”开展这项研究的两位研究人员佩德罗·库尼亚和卡洛斯·赫尔德罗告诉《物理》杂志
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“通过测量这些特性，我们可以直接了解黑洞附近非常强大的引力这一难以捉摸但相当未知的领域
目前还不清楚爱因斯坦的广义相对论是否能很好地描述这种极端条件下的重力定律
因此，一个关键问题是:任何黑洞模型，在任何引力理论中，都需要有一个光环吗？" 旋转黑洞的模拟图像
原始源材料(背景图像)信用:ESO/S
布鲁尼埃
根据广义相对论，黑洞在平衡状态下和在真空中的性质受到很大的限制
过去的宇宙学观察表明，这些经典黑洞拥有光环轨道，这可能意味着任何可以想象的黑洞也会有这些轨道
在他们的研究中，库尼亚和赫尔德罗试图检验推断光环轨道概念的可能性，并将其应用于具有普通锍含量的黑洞或引力的替代理论(I
e
，而不是广义相对论)
他们设计的新定理为预测一般平衡黑洞必须拥有至少一个光环轨道提供了坚实的理论基础
“在我们的论文中，我们引入了一个通用的和数学上创新的论点，它建立了一个平衡黑洞，作为一个规则，在每个旋转方向上必须至少有一个标准光环，”库尼亚和赫德里罗说
为了分析光环，人们通常会考虑给定引力理论的解族，比如广义相对论，或者某种特定的修正引力模型
然而，这里的论点是拓扑性质的
" 拓扑学是数学的一个特定领域，主要研究当物体发生变形或其他形状和尺寸变化时不受影响的几何性质
拓扑学研究的核心思想是，有些问题不受对象的确切形状和大小的影响，而是受这些对象相互变形的方式的影响
“举个简单的例子，一个球体和一个圆环体有不同数量的洞，在拓扑上是不同的，”研究人员解释说
“相比之下，球体和立方体具有相同的拓扑结构，尽管它们的几何形状不同
" 在他们的论文中，库尼亚和赫迪罗将基于拓扑学的构造应用到黑洞周围是否存在光环轨道的问题上
他们的定理不是用特定引力理论提供的运动方程来试图回答这个问题，而是简单地考察了时空在黑洞附近和远离黑洞时的行为
作者(卡洛斯·赫尔德罗，左；佩德罗·库尼亚(右)，2017年2月，路易斯安那州利文斯顿教区right利文斯顿引力波探测器控制室
“换句话说，我们不假设一个万有引力定律是正确的，而只假设正确的万有引力定律(我
e
，不管是哪一个)允许黑洞的存在，”库尼亚和赫迪罗说
“那么，迫使时空结构服从某种规律性要求，黑洞的存在就意味着在视界之外一定有一个光环
事实上，一个旋转的黑洞必须至少有两个光环:一个是与黑洞旋转方向相同的光环，另一个是与黑洞旋转方向相反的光环
" 库尼亚和赫迪罗最近的论文提供了一个新的理论视角，可以作为进一步研究黑洞周围光环的基础
它的主要优点是它的普遍性，因为它不遵循任何特定的引力理论，因此即使爱因斯坦的广义相对论在这种情况下不适用或不准确，它也是成立的
“黑洞总是有光环，它们总是在地平线之外的预测有着重要的后果，”库尼亚和赫迪罗说
“例如，这意味着黑洞的轮廓，也就是众所周知的黑洞阴影，是不同的，通常比人们预期的黑洞本身的大小要大
所以阴影应该总是黑洞的放大图
" 虽然它在理论上可能很强，就像任何其他适用于真实系统的数学定理一样，由库尼亚和赫尔德罗提出的构造是基于一系列假设
在他们未来的工作中，研究人员计划改变其中一些假设，并评估他们的定理的预测是改变还是保持不变
“我们定理的一个关键假设是，远离黑洞就没有引力场，”库尼亚和赫迪罗说
“然而，在宇宙中有一个宇宙常数驱动着宇宙的膨胀
这就产生了一个微小的引力场，不管它离黑洞有多远
如果假设的这一微小变化会改变我们定理的结论，理解这一点将是非常有趣的
"
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