新理论：黑洞周围粒子云形似电子环绕原子核

黑洞示意图。（Shutterstock）

科学家提出一种新理论，认为黑洞外面存在一种由质量超小的玻色子构成的粒子云。它们绕行黑洞的形式与电子绕行原子核没什么两样，因此把这种黑洞称为“引力原子”（gravitational atom）。

美国和荷兰的科学家合作提出了这个新理论，并提出通过分析黑洞散发的引力波数据，不仅能验证是否存在这个机制，还能测量到这种玻色子的质量、能态等特性。

引力波通常由两个黑洞合并而产生，科学家于2015年第一次探测到来自宇宙空间的引力波信号，之后又探测到很多个。现有理论对引力波的产生机制可以做出很好的解释，所以如果探测到的数据与理论预测之间存在任何细微的差别，都意味着里面存在超出现在的“标准粒子模型”认知的新事物。

这个研究组提出，这之间的差异很可能是由超轻玻色子的存在而造成的。这种玻色子是科学家提出的假设粒子，它的质量非常小，而且几乎不与普通物质发生相互作用。

人们常听说的是，黑洞是一种会吸收周围一切物质和能量的天体。不过很久以前科学家也提出，黑洞也会以超辐射（superradiance）的形式泄漏一些物质，而且这种泄漏的物质很可能是“标准粒子模型”定义之外的其它粒子，比如质量超级小的粒子。

这份研究称，当物质以超辐射的形式从黑洞泄漏，泄漏的物质在黑洞周围形成一圈玻色子粒子云。黑洞自旋的速度越快，其周围玻色子的数量越多。科学家认为，这种结构与电子云绕行原子核的形式很相似，因而把这圈粒子云和黑洞组成的结构称为“引力原子”。

当“引力原子”是两个互相绕行的双体系统里面的一个天体的时候，“引力原子”会受到它巨大的伴侣天体的影响。这个巨大的伴侣天体可能是另一个黑洞，也可能是一颗中子星。

普通物质原子受到光的刺激，其电子会从原子周围的轨道脱离，导致物质成为电离态。研究者称“引力原子”也有类似的机制：受到伴侣天体的干扰，“引力原子”周围的超轻粒子云会吸收来自伴侣天体的能量，从而从原来的轨道上被弹射出去。两个天体绕行的距离越近，另一方对“引力原子”的干扰越大。

这份研究称，被从“引力原子”弹射出去的物质会在黑洞所发出的引力波数据中体现出来，但是现在的引力波探测器LIGO和Virgo还探测不到。研究组估计，激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna，简写LISA）投入应用后才能探测到。LISA是美国宇航局（NASA）规划的太空探测设备，计划于2037年发射升空。

这份研究6月2日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。