Новая теория предлагает необычный взгляд на рождение и смерть черных дыр
Черные дыры — космические объекты с настолько сильной гравитацией, что ни материя, ни излучение не могут вырваться из их притяжения. Согласно классической общей теории относительности, вся материя, из которой образовалась черная дыра, в конечном итоге оказывается внутри нее и каким-то образом схлопывается до огромной или даже бесконечной плотности. Эта гипотеза известна как «проблема сингулярности».
В одной из своих основополагающих работ Стивен Хокинг предположил, что черные дыры со временем медленно исчезают — «испаряются». Однако вопрос о том, куда девается все то, что всосала в себя черная дыра, остается открытым. В астрофизике это называется «проблемой потери информации».
Исследователи из Университета Нью-Брансуика в Канаде разработали теорию, которая решает как проблему сингулярности, так и проблему потери информации, а также проливает больше света на то, как материя коллапсирует, образуя черные дыры. Научная статья опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко о ней рассказывает Phys.org. Это альтернативный взгляд на формирование и эволюцию черных дыр, отличающийся от тех, что предлагаются классическими теориями.
«Вопрос о судьбе черной дыры и о том, что происходит с материей (или информацией), из которой она образовалась, оставался открытым в течение пятидесяти лет. Мы много знаем о том, как коллапсирующее вещество образует черные дыры согласно общей теории относительности, но вопрос о том, что при этом происходит на квантовом уровне, остается открытой научной проблемой», — говорят авторы работы.
Они использовали теорию петлевой квантовой гравитации. Эта концепция, созданная в попытках «подружить» квантовую механику и общую теорию относительности, предполагает, что пространство и время в нашей Вселенной на самом деле не едины, а разделены — дискретны. Пространство и время в каждый момент и в каждой точке на квантовом уровне представляют собой маленькие «ячейки» или «петельки». Последние сцепляются в различных конфигурациях, формируя все во Вселенной.
Это лишь одна из нескольких главных конкурирующих концепций, стремящихся объяснить фундаментальное устройство Вселенной и создать «теорию всего». Все эти построения теоретической физики основаны на сложнейших математических расчетах и проблема их в том, что экспериментально они пока практически не проверяемы. На данный момент вопрос главным образом в том, сойдется ли у ученых «математика Вселенной» или нет. Те немногие места во Вселенной, где можно было бы проверить разнообразные «теории всего» — это черные дыры.
Итак, авторы новой работы включили дискретность пространства-времени в свои уравнения, описывающие гравитационное схлопывание материи в черной дыре.
«Это уравнение представляет собой модифицированную версию классических уравнений Эйнштейна, которая включает в себя фундаментальную дискретность пространства на микроскопическом уровне», — пояснил главный автор статьи Викар Хусейн.
Метод вычислений, который физики использовали в своем исследовании, был разработан Сергеем Годуновым, известным российским ученым, проводившим теоретические исследования течения жидкостей и образования волн. Авторы новой теории создали компьютерную модель, где материя плавно сжималась в черную дыру. В качестве модели материи они использовали облако пыли.
«Мы следили за эволюцией облака коллапсирующих частиц пыли, пока оно не образовало черную дыру. Метод Годунова позволил нам проследить эволюцию материи даже внутри черной дыры по направлению к точке сингулярности (бесконечной плотности)», — рассказывают ученые.
Согласно новой теории предполагается, что материя падает в центр черной дыры, достигает большой, но конечной (а не бесконечной) плотности, а затем отскакивает назад, образуя ударную волну. Когда эта ударная волна все же выходит из горизонта черной дыры, тот начинает размываться, а сама дыра — «испаряться».
Получилось, что для ударной волны действуют законы квантовой механики и при этом сохраняется искривление пространства-времени из общей теории относительности. Так что эти две фундаментальные концепции теоретически получилось объединить, присоединив к ним еще и теорию Хокинга об «испарении» черных дыр.
Используя принципы расчетов, введенные Годуновым, исследователи также смогли вычислить время жизни черной дыры. Интересно, что рассчитанное ими время жизни черной дыры намного меньше времени испарения, предсказанного Хокингом. Это говорит о том, что их модель может помочь решить проблему потери информации — материя просто вылетает обратно в космос. Но для подтверждения этого потребуются дополнительные вычисления.
Таким образом, согласно новой модели, внутри черных дыр могут образовываться ударные волны. Современные приборы вполне могут фиксировать их отзвуки. Если поискать такие волны, можно было бы проверить правильность новой концепции.
«Если это окажется так, то ударные волны могут стать универсальным признаком смерти черной дыры», — резюмируют исследователи.
