黑洞是不是被证实了？ 第1页

今天刚看到一篇文章，是求解膜宇宙模型（braneworld）下的引力星（Gravastar）的解：

https:// journals.aps.org/prd/ab stract/10.1103/PhysRevD.102.024037

以下为原答案：

分割线————————————————————————————————

严格来说，并没有。

黑洞是由广义相对论或其它引力理论所预言的极端致密天体，其极端强大的引力场导致它附近的时空弯曲到连光都无法逃逸。黑洞最大的特征是存在事件视界（Event Horizon）,一般简称为视界，它是四维时空中具有时空对称性的零超曲面。

就拿EHT所拍的这张照片来说，

这张照片中心的阴影部分，再加上它65亿倍的太阳质量的特性，可以得出的结论是，它是一个极端致密的天体，但是，无法证明它有视界！也就无法证明它是一个黑洞！

原因在于，由于极端强大的引力场导致我们观测不到的天体，除了黑洞，还有很多。虽然由于视界的时空特性，位于其内的光子都无法逃逸出去，但是事实上，我们之所以看不到黑洞的直接原因，是黑洞附近存在光子的不稳定圆轨道，也就是光球（Photon Sphere）。位于光球内的光子都将掉落到黑洞里，无法被我们观测到。而一般光球半径比视界半径要大，例如史瓦西黑洞的光球半径是视界半径的1.5倍，所以一般光球以内的部分我们是看不到的，也就是上图中心的黑色区域，这部分区域，我们称为Shadow，也就是阴影。

所以，如果一个天体，没有视界，但是存在光球，那么它看起来也是黑色的。但是它却不是黑洞，我们称为黑洞候选体，比如，裸奇点（Naked Singularity）、虫洞（Wormholes）、玻色子星（Boson Star, Kaup 1968; LIebling & Palenzuela 2012）、引力星（Gravastar, Mazur & Mottola 2004; Chirenti & Rezzolla 2007）等等。

前两个提出的时间比较早，裸奇点简单来说就是黑洞没有视界，只剩下中心的奇点。由于其存在可能会破坏因果律，所以彭罗斯特意提出了宇宙监督假设，防止奇点的暴露。

虫洞听起来可能很虚无缥缈，事实上这种时空结构在理论上是可能的。第一个虫洞的提出者就是爱因斯坦，是连接两个史瓦西时空的通道，被称为爱因斯坦-罗森桥，是一个不可通过的虫洞。但是后来有不少学者进行了这方面的研究，提出了各种不同的虫洞模型。Kip Thorne（对，就那个2017年的诺奖获得者，LIGO的创始人）还研究过虫洞的可通过性，结果发现，可通过虫洞的附近存在大量的密度为负的异常物质。这种异常物质在自然界非常罕见，但有人认为黑洞的表面可能存在这种物质。

玻色子星提出的时间比中子星稍晚一些，它被认为是由有质量的玻色子构成的。在它后面那老哥出来前，它一直是黑洞，甚至是星系中心的超大质量黑洞的有力竞争者。因为玻色子星还可能是由轴子构成的，被称为轴子星（Axion Star），这是暗物质的有力候选者，所以近几年它又作为暗物质的候选者火了一把。

而引力星等其它修改引力提出的新的黑洞候选体是近二十年提出的，它们被称为超致密天体（Ultracompact Object, UCO）。其提出的根本目的，是为了解决黑洞中心的奇点问题。关于更多的致密天体的信息可以参考这篇综述：https://arxiv.org/pdf/1904.05363.pdf

上述所说天体都会在中心形成阴影，只有在高精度的测量上才能显现出与黑洞的差别，但是这次EHT的精度是不够的。EHT在其发表的第一篇文章中这样写道：

显然，虽然EHT通过中心阴影的理论计算排除了M87*是裸奇点或者虫洞的可能，也间接证明玻色子星的可能性较小，但是却完全不能排除引力星这样的超致密天体，尤其是拥有克尔度规的天体。

至此，得出结论：EHT的成像并不能证明M87*是一个黑洞。

不仅如此，以上还表明，过去几十年找到的间接被证明是黑洞的天体，严格意义上来说，都不能称为黑洞。毕竟，虽然寻找黑洞的手段多种多样：

但是根本思路都是：1）找到一个不发光的天体；2）证明其质量超过，最好远远超过3倍太阳质量。但是这些条件，前面说的那些超致密天体全都满足！所以严格来说，目前我们所发现的，都是黑洞候选体。但是因为黑洞候选体（Black Hole Candidates）比黑洞（Black Holes）用起来很麻烦，大部分研究者在写文章时也就直接用Black Holes了。我个人只见过一篇文章里面特意用的是Black Hole Candidates：

这也是一篇划时代的文章，GRAVITY第一次观测到广义相对论预言的史瓦西进动。请注意左上角画圈的合作者Victor·Cardoso，也就是前面综述的作者，这是一位超致密天体方面的大佬，目前正致力于通过引力波来区分黑洞和超致密天体的研究。

之所以说以前间接证明的黑洞都是黑洞候选体，是因为之前天文观测除了少量运用中微子和宇宙线，大部分都是依靠电磁波。而电磁波不能通过视界传到我们观测者这里，当然中微子和宇宙线也不能，所以根本没法证实视界的存在，除了引力波。

引力波是时空曲率的传播，因此它可以通过视界。引力波有一种特征叫准正模（Quasimormal Modes, QNM），有视界和没视界时引力波的准正模是不同的，因此，可以通过这种方法来区分黑洞和超致密天体！

参考：

V. Cardoso. 2019, arxiv.1904.05363;

EHT. 2019, APJL, 875, L1;

GRAVITY. 2020, A&A, 636, L5.