上海引力波探测前沿科学基地继去年在顶尖学术期刊《自然-天文》(Nature Astronomy) 杂志全方位介绍中国空间引力波探测计划之后，今年又一次在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了题为“Critical Phenomena in Dynamical Scalarization of Charged Black Holes”重要创新成果。该论文由基地王斌教授担任通讯作者，上海交通大学为通讯单位，带领来自中国科学院大学、暨南大学与扬州大学的中国引力波波源物理专家共同完成。该论文对引力波源物理、黑洞基本性质等国际上最前沿、最基本的物理问题提供了崭新的独特见解。

20世纪60年代，“黑洞”一词的发明者、物理学的超级英雄约翰·惠勒（John Wheeler）和黑洞热力学的巨擘雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）提出 “黑洞无毛”定理，认为孤立黑洞形成之后，只有三个可观测量——质量、角动量和电荷，它们唯一确定黑洞的特征。被黑洞吞噬的东西只对这三个参量有贡献，其他一切信息（犹如“毛发”）都束缚在黑洞内，无法被黑洞外部观测到。享有国际盛誉的英国物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）在70年代给出了黑洞无毛定理的数学证明。

图一：“无毛黑洞”与“带毛黑洞” 

“黑洞无毛”的观点在近年遭到了有力挑战。根据量子力学，黑洞应该具有丰富的特征。如霍金等人讨论了黑洞可能的“量子毛”或者“软毛”。即使只考虑经典物理，在超出爱因斯坦广义相对论的引力理论中黑洞“长毛”的可能性也备受关注。黑洞究竟能否长毛？如果能的话如何长毛？毛长在哪儿？长毛的过程会诱发哪些物理现象？这些都是物理学家们长期探索的国际上最前沿、最基本的科学问题。

本次上海引力波探测前沿科学基地带领的中国团队不但揭示了一种全新的黑洞“长毛”机制，给出了长毛的动力学过程，而且在该过程中发现了一类奇妙的“动力学临界现象”。该成果是国内研究团队在基础物理前沿理论方面取得的重大进展。该研究考虑了麦克斯韦电磁场和标量场非最小耦合的引力物理模型，发现尽管“无毛”黑洞在标量场的线性扰动下稳定，但在部分参数空间内，非线性不稳定性会导致黑洞视界外的标量场从无到有最终饱和，形成稳定的“带毛”黑洞。研究还揭示了长毛过程中的临界现象。接近临界时，动力学会出现“吸引子”解，无毛黑洞趋于不稳定的“临界”带毛黑洞，持续一段时间后系统会最终演化成稳定的无毛或者带毛黑洞。临界黑洞的持续时间、标度规律都被一一解释说明。

图二：无毛黑洞与带毛黑洞之间的转变

该研究独创性地利用非线性动力学机制寻找“带毛”黑洞，首次发现黑洞“长毛”过程中的普适临界现象。此研究提供的孤立黑洞吸积标量场，从无毛黑洞变成带毛黑洞的物理过程，为引力波探测及事件视界望远镜观测提供了更加丰富的黑洞物理观测信号源，对黑洞物理深入研究做出了重要贡献。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.161105