一个新的定理预言静止的黑洞必须至少有一个光环。

黑洞是最神秘和最迷人的宇宙学现象之一。黑洞是空间中具有如此强烈的引力场的区域，无论是物质还是辐射都无法逃脱。在过去五年左右的时间里，天体物理学家收集了第一批关于黑洞周围强大引力的观测资料。LIGO和处女座的合作能够使用世界上一些最先进的引力波探测器探测到这些引力波周围的引力波。与此同时，事件视界望远镜研究小组捕捉到了第一张黑洞阴影的图像。

虽然这两个观测都非常有希望和引人入胜，但它们都不太可能揭示事件视界，事件视界是定义黑洞周围空间中任何东西都无法逃脱的特定区域的边界。尽管如此，它们应该包含一个指向恰好在视界外的邻近区域的签名，在那里弯曲得非常厉害，以至于它的路径关闭了自己，形成了被称为光环的圆形轨道。

研究这些光环最终可以丰富我们目前对黑洞及其性质的理解。然而，到目前为止，仍然有许多问题没有得到回答，我们对黑洞和它们周围的光环还远没有得到很好的理解。

德国马克斯·普朗克引力物理研究所和葡萄牙阿韦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。他们在“物理评论快报”上发表的一篇论文中提出的定理表明，一般来说，平衡黑洞的每个自转感都必须至少有一个光环。

开展这项研究的两位研究人员佩德罗·库尼亚(Pedro Cunha)和卡洛斯·赫代罗(Carlos Herdeiro)通过电子邮件告诉Phys.org，值得注意的是，光环的特性可以编码许多相关的黑洞信息。通过测量这些性质，我们可以直接看到黑洞附近难以捉摸而又相当未知的非常强的区域。目前还不清楚爱因斯坦的广义相对论是否能很好地描述在这种极端条件下的万有引力定律。因此，一个关键的问题是：在任何引力理论中，任何黑洞模型都需要有光环吗？

根据广义相对论，黑洞在平衡态和空空间中的性质受到很大的限制。过去的宇宙学观测表明，这些经典黑洞都有光环轨道，这可能意味着任何可以想象到的黑洞也会有这些轨道。

通过他们的研究，库尼亚和赫代罗试图研究外推光环轨道概念的可能性，并将其应用于具有一般物质含量的黑洞，或应用于另一种引力理论(即，不是广义相对论)。他们设计的新定理为一般平衡黑洞必须至少有一个光环轨道的预测提供了坚实的理论基础。

库尼亚和赫代罗说：在我们的论文中，我们引入了一种普遍的、在数学上有创新的论点，它确立了平衡黑洞作为规则，在每个旋转意义上确实必须至少有一个标准光环，库尼亚和赫代罗说。为了分析轻环，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。

拓扑学是一个特定的数学领域，它专注于研究当对象经历变形或形状和大小的其他更改时不受影响的几何特性。拓扑学研究的关键思想是，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。

研究人员解释说，作为一个简单的例子，球体和甜甜圈有不同数量的洞，并且在拓扑上是不同的。相比之下，尽管球体和立方体的几何形状不同，但它们的拓扑结构是相同的。

在他们的论文中，Cunha和Herdeiro将基于拓扑的构造应用到是否存在围绕黑洞的光环轨道的问题上。他们的定理没有使用特定的引力理论提供的运动方程来尝试回答这个问题，而是简单地研究了时空在黑洞附近和远离黑洞时的行为。

库尼亚和赫代罗说：换句话说，我们并不假设一个引力定律是正确的，而只是假设正确的引力定律(即，无论哪一个)允许黑洞的存在。然后，迫使时空结构服从某些规律性要求，黑洞的存在意味着地平线外一定有一个光环。事实上，一个旋转的黑洞必须至少有两个光环：一个用于光线以与黑洞相同的旋转方向绕着黑洞旋转，另一个用于用于光线以相反的方向绕着黑洞旋转。

库尼亚和赫代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。它的主要优势是它的普遍性，因为它不遵循任何具体的引力理论，因此即使爱因斯坦的广义相对论在这方面不适用或不准确，它也是有效的。

库尼亚和赫代罗说，预测总是有光环，而且它们总是在地平线之外，这会产生重要的后果。例如，它意味着黑洞的轮廓，也就是我们所知的黑洞阴影，通常是不同的，通常比人们预期的黑洞本身的大小要大。因此，阴影应该始终是黑洞的放大。

虽然它在理论上可能是强大的，就像任何其他适用于真实系统的数学定理一样，库尼亚和赫代罗引入的结构是基于一系列假设的。在他们未来的工作中，研究人员计划改变其中的一些假设，并评估他们的定理的预测是改变还是保持不变。

库尼亚和赫代罗说，我们定理的一个关键假设是，在远离黑洞的地方没有引力场。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。如果这个微小的假设改变会改变我们定理的结论，这将是非常有趣的。更多信息：佩德罗·V·P·库尼亚等人(Pedro V.P.Cunha et al)。“静止黑洞和光环”，“物理评论快报”(2020)。网址：10.1103/PhysRevLett.124.181101