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George Chapline认为，事件视界望远镜（EHT）提供的证据将证明黑洞其实是暗能量星。（来源：NASA） 银河系中央的超大质量黑洞长什么样？明年年初，答案或许就能揭晓了。在过去数年间，事件视界望远镜（EHT）一直在监测数万光年外的人马座A*。EHT是由全球范围内至少9架射电望远镜组成的观测网络，其有效直径与地球直径相当。多数天体物理学者认为，这台望远镜在地球各地拍摄的图像将会揭开黑洞的面纱：我们或将看到由围绕黑洞运动的气体盘形成的明亮漩涡，中央则是一片黑色暗影——也就是事件视界。在事件视界以内，黑洞奇点的引力非常强，以致光线也无法从中逃逸。 但美国劳伦斯利佛摩国家实验室的物理学家George Chapline并不认为我们会看见这个黑洞，因为他甚至不相信黑洞真的存在。2005年，他在接受《自然》（Nature）期刊采访时曾表示：“黑洞不存在的概率几乎是百分之百。”在他与诺贝尔物理学奖获得者Robert Laughlin此前合作研究的基础上，他提出了一套名为“暗能量星”（dark energy stars）的黑洞替代模型。暗能量是指一类弥漫在整个宇宙中的特殊能量。它能够抵抗引力的收缩作用，使时空不断扩张。 Chapline相信，一颗正在坍缩的恒星中蓄积了巨大能量，足以使恒星中的质子和中子衰变成光子气体和其它基本粒子，同时产生所谓的“真空能液滴”。这些物质会形成“凝聚”态的时空，就像气体在一定压力下可以转化为液体一样，这些凝聚态时空中含有的暗能量密度远比恒星周围的时空高得多。这可以提供足够大的压力，抵挡引力的作用，从而阻止奇点形成。而时空中如果没有奇点，也就不可能存在黑洞。 这一观点在天体物理学界几乎无人支持。在过去十年中，Chapline这方面论文的引用次数仅为个位数。而相比之下，他在粒子物理学领域最热门的论文引用次数多达600多次。但Chapline认为，自己独自徘徊的日子很快就要到头了：事件视界望远镜将提供暗能量星存在的证据。
事件视界望远镜观测网络（来源：wikipedia） 凝聚态模型 这一理论最早可以追溯到2000年。当时，Chapline和Laughlin等人在一篇论文中将时空描述为一种玻色-爱因斯坦凝聚态。这是一种将密度极低的气体冷却到接近绝对零度时呈现的物质状态。Chapline和Laughlin的模型在本质上是一种量子力学模型：广义相对论是时空凝聚态在大尺度上的性质导致的一个结果。该模型中的时空在获得或损失能量时，也会经历相变。其他一些科学家也认为这是一种可行的解释。2009年，日本的几名物理学家在论文中提出，玻色-爱因斯坦凝聚态是最适合用来类比弯曲时空的量子流体。 Chapline和Laughlin认为，被大多数科学家当作黑洞的坍缩恒星其实可以被描述为时空正在发生相变的区域。他们发现，广义相对论在坍缩恒星附近处处适用，唯独在事件视界上不适用。而此处正是两种不同时空状态的分界线。 在凝聚态模型中，在坍缩恒星周围，事件视界不再是物质有去无回的分界线，而是一种可以跨越的物理界面。基于这一特性，再加上作为黑洞关键特征的奇点不复存在，与黑洞相关的各种悖论（如信息湮灭悖论）也就不会出现了。Laughlin始终持比较谨慎的态度，不愿在他们最初观点的基础上做过多推断。他认为Chapline对暗能量星的探寻不无道理，“但我们没有在这个问题上继续合作的原因是，我们愿意投入的观测精力不同。”目前Laughlin还处在观望的状态，他决定等到实验数据揭示更多黑洞内部状态后再做评断，“到时我会写我在这个问题上的第二篇论文。”他说道。 黑洞是一个甜甜圈？ 近年来，Chapline一直在与其他几位科学家合作，包括美国南卡罗来纳大学的Pawel Mazur和德国莱比锡大学的Piotr Marecki，从而不断完善自己的暗能量星模型。他的结论是，暗能量星并非球形或椭球形，而是像甜甜圈一样的环面。Chapline认为，在暗能量星这种不停自转的致密天体内部，时空凝聚态的量子效应会沿着其自转轴产生巨大的漩涡。由于漩涡内部是空心的（就像水中的漩涡一样），暗能量星中央会形成一个空洞，就像一个去了核的苹果。基于量子力学模拟旋转的超流体液滴时，也能观察到类似效应：在旋转的液滴内部也会产生一个中央漩涡，出人意料地将液滴形状从球形变为一个环面。 Chapline认为，这种奇怪的圆环形结构并非是暗能量星的缺陷，而是一种有用的特征。它可以解释天体物理喷流（即沿着黑洞等致密天体自转轴喷出的高能电离物质）的起源和形状。在他看来，暗能量星中的一种机制能够比主流理论更好地解释天体物理喷流的形成：能量从黑洞周围的吸积盘中抽出，然后集中到沿着黑洞自转轴方向的一条窄带上。Chapline认为，落向暗能量星的物质和能量会朝着“甜甜圈孔”飞去，而围绕“甜甜圈孔”旋转的电子类似于比尔曼（Biermann）电池效应，会产生非常强大的磁场，为喷流提供驱动力。 据Chapline介绍，美国罗切斯特大学的科学家利用OMEGA激光装置开展了一系列实验工作。研究人员利用激光在平面上生成了一个环状激发区域，进而产生了磁化喷流。虽然这些实验的开展与暗能量星无关，但Chapline认为它们为自己的理论提供了实验依据。按照他的设想，在暗能量星中央的圆孔周围，也会产生这种环状激发现象。他认为这将是证明暗能量星存在的关键证据。Chapline说：“这种环状结构最终应该能清晰显示在事件视界望远镜拍摄的图片上。”
黑洞（左）与暗能量星（右）对比：从上往下看，暗能量星形状类似于一个甜甜圈，中心有一个环形开孔。Chapline认为，围绕暗能量恒星中央孔洞周围旋转的物质和能量（形成“火环”）正是在“黑洞”附近观察到的天体物理喷流的来源。（来源：原文） Chapline还指出，暗能量星在光线下不是完全透明的，物质和光线可以从其中穿行而过。它的内部也不是一片黑暗，而是可以透过它看见背后的其它恒星，只不过图像有些扭曲。然而，其他物理学家对于这类黑洞替代模型是否能在事件视界望远镜数据中有所体现仍持怀疑态度。意大利国际高等研究学院的物理学家Raul Carballo-Rubio也提出了自己的黑洞替代模型，并将其命名为“半古典相对论恒星”。Carballo-Rubio指出：“这些替代模型与黑洞之间的区别可能微乎其微，以致无法被事件视界望远镜探测到。” Chapline计划于今年12月在美国圣芭芭拉科维理（Kavli）理论物理研究所探讨自己的暗能量星理论。但他表示，即使他的预测得到确认，他也不希望科学界在一夜之间被说服。“我希望在接下来的几年中，借助事件视界望远镜，人们会对他们看到的东西感到困惑。” 撰文：Jesse Stone 翻译：甘立 审校：吴非、韩晶晶 引进来源：Nautil 本文来自：中国数字科技馆 来源：中国数字科技馆 |
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