根据《省科技厅关于2024年度贵州省科学技术奖推荐工作的通知》要求，现将贵州大学拟提名的云南天文台参与的成果“暗物质背景下的黑洞模型及其性质”项目信息予以公示，公示期自5月6日起至5月12日止。若对项目有异议，请公示期内实名并附书面材料向云南天文台科技处提出。若无异议，将按相关程序提名贵州省科学技术奖励。

联系人：李少昆 

联系电话：0871-63920818 

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项目名称：暗物质背景下的黑洞模型及其性质

推荐单位：贵州大学

推荐等级：贵州省自然科学奖二等奖、三等奖

项目简介：

项目在暗物质-黑洞系统近似解及其性质方面开展研究，研究目标与美国激光干涉引力波天文台、黑洞视界望远镜等国内外大科学装置上开展的观测研究具有高度的一致性，本项目属于国际前沿理论研究。

项目第一个方面研究当黑洞附近存在暗物质分布时爱因斯坦引力场方程的近似解，并以此为基础研究暗物质在黑洞附近的物理性质，从而为研究暗物质问题与黑洞物理提供额外的途径。关于爱因斯坦引力场方程精确解这一问题，最早可追溯到1917年德国天文学家史瓦西对爱因斯坦引力场方程真空中球对称解的研究工作；直到1963年新西兰数学家与物理学家克尔才将球对称解推广到转动情形；这些精确解开启了黑洞的研究。黑洞存在的典型实例是在星系核心的超大质量黑洞，其黑洞质量在几百万太阳质量到几百亿太阳质量之间（如银河系中心黑洞为430万太阳质量，M87中心黑洞质量为65亿太阳质量）[Astrophys.J.Lett. 875(2019) L1；Astrophys.J.Lett. 930 (2022) 2, L12]。另一方面，已经有广泛的证据表明宇宙中存在暗物质，宇宙大尺度的观测数据表明这些暗物质是某种冷暗物质，然而在星系尺度或更小尺度的观测与冷暗物质模型预言不符合，这就是著名的冷暗物质小尺度观测问题[Ann.Rev.Astron.Astrophys. 55 (2017) 343-387]。冷暗物质模型的小尺度问题告诉我们研究暗物质在星系尺度或更小尺度的物理性质是非常重要的，我们的项目将集中于暗物质与黑洞的相互作用研究。然而，当考虑暗物质分布时黑洞时空度规形式如何仍然不清楚[Astrophys.J.Lett. 930 (2022) 2, L17;Exact Solutions of Einstein's Field Equations,Cambridge University Press, Year: 2009]，因为这样涉及到求解暗物质分布时的爱因斯坦引力场方程。正是在这一背景下，项目系统研究了考虑典型暗物质晕时的黑洞时空度规结构。首先，项目放弃了精确解的研究，转而计算暗物质晕时黑洞近似解，这虽然放弃了更加丰富的暗物质与黑洞的相互作用细节，但却可以在一定程度上对二者的相互作用进行探索，从具体技术上来说，项目使用了旋转曲线的牛顿近似获得球对称黑洞度规。其次，通过对引力场方程的球对称近似，先求出不考虑黑洞时纯暗物质分布时空度规，然后在能动张量上加上暗物质部分对场方程进行处理，从而获得点质量+暗物质分布的时空度规(点质量附近能动张量为零)。其三，利用Newman-Jains方案将球对称暗物质-黑洞推广到旋转情形。最后，通过对球对称与轴对称黑洞的各种性质进行详细的计算与分析，从而搞清楚暗物质分布特性将如何改变黑洞性质，项目利用该方法获得了一系列解，并对这些暗物质-黑洞时空进行了详细的研究[例如JCAP 09 (2018) 038;Eur.Phys.J.C 78 (2018) 6, 513]。该方法是项目负责人及其合作者独自开发的一种方法，目前已经被该领域的众多学者采用，对该领域有较大的影响与贡献[例如Astrophys.J. 940 (2022) 1, 33; JCAP 08 (2022) 08,056;Eur.Phys.J.C 82 (2022) 5, 391]。

项目第二个方面研究了这些暗物质-黑洞时空的观测效应，以及暗物质对黑洞本性的影响。本项目主要研究了暗物质-黑洞时空两方面的性质及其检验，分别是利用黑洞事件望远镜检验超大质量黑洞附近的暗物质模型与暗物质对黑洞弱宇宙监督猜想检验的影响。对于利用黑洞视界望远镜观测检验超大质量黑洞附近暗物质模型的工作，其简单介绍如下：前人虽然在此之前发展了各种计算黑洞阴影与光子环的技术，并较为详细的研究了黑洞附近存在磁流体与等离子体时的黑洞光子环与阴影特性，然而由于黑洞附近暗物质的影响较小与数值计算困难，科学家们没有能够了解暗物质在黑洞视界望远镜中检验的可能性。本项目利用我们获得的几种暗物质晕中的克尔黑洞度规，详细计算了暗物质分布对黑洞阴影特性的影响，并获得了解析结果[JCAP 12 (2018) 040; JCAP 07 (2018) 015]。其计算结果表明，如果EHT观测精度再提高三个数量级，将有可能利用EHT观测对超大质量黑洞附近的暗物质分布进行研究，并有可能判断冷暗物质模型在黑洞附近的正确性，进而增进我们对冷暗物质模型小尺度问题的理解。本项目还计算了不同物质类型下的黑洞阴影特性，分别计算了尘埃环绕黑洞、辐射环绕黑洞与暗物质环绕黑洞的阴影特性，发现极有可能利用EHT对该模型进行检验。对于暗物质对黑洞本性的影响方面的研究，本项目专门针对暗物质对克尔黑洞弱宇宙监督猜想检验可能造成的结果进行了研究[Eur.Phys.J.C 83 (2023) 10, 986]，结果发现，当在极端克尔黑洞或近极端克尔黑洞附近考虑暗物质分布时，黑洞视界有可能不会被破坏，这与前人的结果刚好相反，由于黑洞附近存在暗物质几乎是不争的事实，因此弱宇宙监督猜想可能在考虑暗物质分布之后得到维持，而不会被破坏，换句话说，暗物质可能充当了宇宙监督者的重要角色，这一结果对于理解黑洞本性具有重要价值。

总之，项目围绕暗物质分布如何改变黑洞时空度规与暗物质如何改变黑洞性质等开展研究，研究内容本质上属于黑洞物理的范畴。截止2021年12月，研究已经持续了5年的时间，课题组在Physical Review D、European Physical Journal C、Journal of High Energy Physics、Journal of Cosmology and Astroparticle Physics等国内外主流期刊发表SCI论文30余篇。这些研究结果得到了国内外同行的普遍关注和相关部门的肯定评价。此次项目上报的代表性论文5篇，这五篇论文SCI总引用294次，SCI总他引264次。

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