撰文 | Jesse Stone
翻譯 | 甘立
審校 | 吳非 韓晶晶
轉自 | 環球科學ScientificAmerican
George Chapline認為，事件視界望遠鏡（EHT）提供的證據將證明黑洞其實是暗能量星。（來源：NASA）
黑洞內部究竟長什麼樣？天體物理學家提出過無數種假設。而在勞倫斯利佛摩國家實驗室的George Chapline看來，這些猜想可能都是無用功，因為“黑洞”根本就不存在——那些宇宙中最暗的區域，或許是一個個甜甜圈狀的暗能量星……
銀河系中央的超大質量黑洞長什麼樣？明年年初，答案或許就能揭曉了。在過去數年間，事件視界望遠鏡（EHT）一直在監測數萬光年外的人馬座A*。EHT是由全球範圍內至少9架射電望遠鏡組成的觀測網絡，其有效直徑與地球直徑相當。多數天體物理學者認為，這臺望遠鏡在地球各地拍攝的圖像將會揭開黑洞的面紗：我們或將看到由圍繞黑洞運動的氣體盤形成的明亮漩渦，中央則是一片黑色暗影——也就是事件視界。在事件視界以內，黑洞奇點的引力非常強，以致光線也無法從中逃逸。
但美國勞倫斯利佛摩國家實驗室的物理學家George Chapline並不認為我們會看見這個黑洞，因為他甚至不相信黑洞真的存在。2005年，他在接受《自然》（Nature）期刊採訪時曾表示：“黑洞不存在的概率幾乎是百分之百。”在他與諾貝爾物理學獎獲得者Robert Laughlin此前合作研究的基礎上，他提出了一套名為“暗能量星”（dark energy stars）的黑洞替代模型。暗能量是指一類瀰漫在整個宇宙中的特殊能量。它能夠抵抗引力的收縮作用，使時空不斷擴張。
Chapline相信，一顆正在坍縮的恆星中蓄積了巨大能量，足以使恆星中的質子和中子衰變成光子氣體和其它基本粒子，同時產生所謂的“真空能液滴”。這些物質會形成“凝聚”態的時空，就像氣體在一定壓力下可以轉化為液體一樣，這些凝聚態時空中含有的暗能量密度遠比恆星周圍的時空高得多。這可以提供足夠大的壓力，抵擋引力的作用，從而阻止奇點形成。而時空中如果沒有奇點，也就不可能存在黑洞。
這一觀點在天體物理學界幾乎無人支持。在過去十年中，Chapline這方面論文的引用次數僅為個位數。而相比之下，他在粒子物理學領域最熱門的論文引用次數多達600多次。但Chapline認為，自己獨自徘徊的日子很快就要到頭了：事件視界望遠鏡將提供暗能量星存在的證據。
事件視界望遠鏡觀測網絡（來源：wikipedia）
凝聚態模型
這一理論最早可以追溯到2000年。當時，Chapline和Laughlin等人在一篇論文中將時空描述為一種玻色-愛因斯坦凝聚態。這是一種將密度極低的氣體冷卻到接近絕對零度時呈現的物質狀態。Chapline和Laughlin的模型在本質上是一種量子力學模型：廣義相對論是時空凝聚態在大尺度上的性質導致的一個結果。該模型中的時空在獲得或損失能量時，也會經歷相變。其他一些科學家也認為這是一種可行的解釋。2009年，日本的幾名物理學家在論文中提出，玻色-愛因斯坦凝聚態是最適合用來類比彎曲時空的量子流體。
Chapline和Laughlin認為，被大多數科學家當作黑洞的坍縮恆星其實可以被描述為時空正在發生相變的區域。他們發現，廣義相對論在坍縮恆星附近處處適用，唯獨在事件視界上不適用。而此處正是兩種不同時空狀態的分界線。
在凝聚態模型中，在坍縮恆星周圍，事件視界不再是物質有去無回的分界線，而是一種可以跨越的物理界面。基於這一特性，再加上作為黑洞關鍵特徵的奇點不復存在，與黑洞相關的各種悖論（如信息湮滅悖論）也就不會出現了。Laughlin始終持比較謹慎的態度，不願在他們最初觀點的基礎上做過多推斷。他認為Chapline對暗能量星的探尋不無道理，“但我們沒有在這個問題上繼續合作的原因是，我們願意投入的觀測精力不同。”目前Laughlin還處在觀望的狀態，他決定等到實驗數據揭示更多黑洞內部狀態後再做評斷，“到時我會寫我在這個問題上的第二篇論文。”他說道。
黑洞是一個甜甜圈？
近年來，Chapline一直在與其他幾位科學家合作，包括美國南卡羅來納大學的Pawel Mazur和德國萊比錫大學的Piotr Marecki，從而不斷完善自己的暗能量星模型。他的結論是，暗能量星並非球形或橢球形，而是像甜甜圈一樣的環面。Chapline認為，在暗能量星這種不停自轉的緻密天體內部，時空凝聚態的量子效應會沿著其自轉軸產生巨大的漩渦。由於漩渦內部是空心的（就像水中的漩渦一樣），暗能量星中央會形成一個空洞，就像一個去了核的蘋果。基於量子力學模擬旋轉的超流體液滴時，也能觀察到類似效應：在旋轉的液滴內部也會產生一箇中央漩渦，出人意料地將液滴形狀從球形變為一個環面。
Chapline認為，這種奇怪的圓環形結構並非是暗能量星的缺陷，而是一種有用的特徵。它可以解釋天體物理噴流（即沿著黑洞等緻密天體自轉軸噴出的高能電離物質）的起源和形狀。在他看來，暗能量星中的一種機制能夠比主流理論更好地解釋天體物理噴流的形成：能量從黑洞周圍的吸積盤中抽出，然後集中到沿著黑洞自轉軸方向的一條窄帶上。Chapline認為，落向暗能量星的物質和能量會朝著“甜甜圈孔”飛去，而圍繞“甜甜圈孔”旋轉的電子類似於比爾曼（Biermann）電池效應，會產生非常強大的磁場，為噴流提供驅動力。
據Chapline介紹，美國羅切斯特大學的科學家利用OMEGA激光裝置開展了一系列實驗工作。研究人員利用激光在平面上生成了一個環狀激發區域，進而產生了磁化噴流。雖然這些實驗的開展與暗能量星無關，但Chapline認為它們為自己的理論提供了實驗依據。按照他的設想，在暗能量星中央的圓孔周圍，也會產生這種環狀激發現象。他認為這將是證明暗能量星存在的關鍵證據。Chapline說：“這種環狀結構最終應該能清晰顯示在事件視界望遠鏡拍攝的圖片上。”
黑洞（左）與暗能量星（右）對比：從上往下看，暗能量星形狀類似於一個甜甜圈，中心有一個環形開孔。Chapline認為，圍繞暗能量恆星中央孔洞周圍旋轉的物質和能量（形成“火環”）正是在“黑洞”附近觀察到的天體物理噴流的來源。
Chapline還指出，暗能量星在光線下不是完全透明的，物質和光線可以從其中穿行而過。它的內部也不是一片黑暗，而是可以透過它看見背後的其它恆星，只不過圖像有些扭曲。然而，其他物理學家對於這類黑洞替代模型是否能在事件視界望遠鏡數據中有所體現仍持懷疑態度。意大利國際高等研究學院的物理學家Raul Carballo-Rubio也提出了自己的黑洞替代模型，並將其命名為“半古典相對論恆星”。Carballo-Rubio指出：“這些替代模型與黑洞之間的區別可能微乎其微，以致無法被事件視界望遠鏡探測到。”
Chapline計劃於今年12月在美國聖芭芭拉科維理（Kavli）理論物理研究所探討自己的暗能量星理論。但他表示，即使他的預測得到確認，他也不希望科學界在一夜之間被說服。“我希望在接下來的幾年中，藉助事件視界望遠鏡，人們會對他們看到的東西感到困惑。”
原文鏈接：
http://nautil.us/blog/are-black-holes-actually-dark-energy-stars
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