近日，物理与光电工程学院物理学系张承勇副教授在物理学top期刊《Physical Review D》上以letter形式发表文章《Nonlinear self-interaction induced black hole bomb》(Phys. Rev. D 110, L041505)。张承勇副教授为论文第一作者, 共同作者包括来自中国科学院大学、中南大学、扬州大学、北京师范大学以及上海交通大学的引力物理专家。

图1. 文章发表页面截图

1969年，著名物理学家Penrose发现，一个物体在被旋转黑洞散射后，可能会从黑洞中提取出其旋转能量。同样地，一束波在经过黑洞散射后，也可以提取黑洞的能量，这一过程被称为超辐射。如果将放大后的波再次反射回黑洞，那么这个过程会不断重复，从而持续提取黑洞的能量，导致波的能量呈指数式增长。这种现象被称为“黑洞炸弹”或“超辐射不稳定性”。

传统的黑洞炸弹源于线性不稳定的黑洞。在本文中，我们发现了一种源自线性稳定黑洞的黑洞炸弹。我们考虑了广义相对论中的球对称带电黑洞，并对其施加具有自相互作用的复标量场扰动。通过对黑洞演化过程的数值模拟，我们发现，在小扰动下，黑洞是稳定的；但当扰动超过一定强度后，黑洞会释放出大量能量给标量场，最终形成一个带有复标量场毛发的黑洞。在演化过程中，我们观察到黑洞附近的标量场毛发会呈现周期性的径向振荡。这种现象有些类似于周期性膨胀和收缩的造父变星，但这是首次在黑洞背景中被发现。

图2：演化过程中, 黑洞毛的周期性径向膨胀和收缩

此外，我们还发现了另一种黑洞炸弹，它源自一种线性不稳定的带毛黑洞。与传统的黑洞炸弹不同，这种不稳定性有两个可能的演化方向：一个导致黑洞毛发的坍缩，另一个则导致黑洞毛发的爆发。而传统的黑洞炸弹通常只有一个演化方向，即只会导致黑洞毛发的爆发。

本论文揭示了新的黑洞炸弹或黑洞能量提取机制。相关现象可能在未来的引力波探测中得到验证，同时也为暗物质探测提供了一种新的途径。

张承勇副教授近期致力于黑洞动力学的研究。本次研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.110.L041505

图文：张承勇

校对：陈科球

初审：黄晶晶

终审：幸江涛