近日，理工学院物理学系张承勇课题组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 hole”的学术论文。 该论文由张承勇副教授担任第一作者，暨南大学为第一完成单位，我系研究生罗文坤参与了本工作。该论文共同作者中包括了来自扬州大学、中国科学院大学以及上海交通大学的引力物理专家。

黑洞贪婪地吞噬着周围所有东西，甚至连光也逃脱不了。任何掉进黑洞的东西都会彻底湮灭，不会在外部留下任何痕迹。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”。他们认为黑洞形成之后，仅剩下三种守恒量---质量、角动量和电荷，这三个参量唯一地确定了黑洞的性质，其他一切信息（犹如“毛发”）都束缚在黑洞内部，无法被观测到。享有国际盛誉的物理学家斯蒂芬·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(左)与带毛黑洞(右)

但“黑洞无毛”的观点遭到了有力挑战。考虑到量子力学，黑洞应该具有丰富的特征，黑洞是有毛的。霍金等人讨论了黑洞可能的“量子毛”或者“软毛”。近年来在超出爱因斯坦广义相对论的经典引力理论中，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。

张承勇课题组的研究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”。该研究成果是国内研究团队在国际基础物理前沿理论研究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开始增强最终饱和，形成稳定的“带毛”黑洞。文章揭示了带毛过程中的临界现象。接近临界时，动力学会出现“吸引子”解，无毛黑洞被吸引向不稳定的“临界”带毛黑洞，持续一段时间后，最终演化成无毛黑洞或者带毛黑洞。这个临界现象持续时间，标度规律都被一一解释说明。

图二：(左)初始黑洞先被吸引到临界解，经过长时间演化后，最终变成带毛黑洞或无毛黑洞。(右)临界扰动附近，不同初始扰动强度下，黑洞视界上的标量场值随时间的演化。

该研究独创性地利用非线性动力学方法寻找“带毛”黑洞，首次发现黑洞“长毛”过程中的普适临界现象。此研究提供了孤立存在的黑洞能通过不断吸积标量场、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可观测信号，对黑洞物理深入研究做出了重要贡献。

本研究得到了科技部、国家基金委、中国科学院、广东省的支持。论文链接见：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.161105