Ученые выдвинули новую теорию о формировании черных дыр

Черные дыры — это области в космосе, характеризующиеся настолько интенсивными гравитационными полями, что ни материя, ни излучение не могут выйти из них.

Существование черных дыр подтверждено относительно недавно (сентябрь 2015 г.), до этого уже существовал немалый теоретический материал об их природе, однако они до сих пор имеют множество особенностей, механизмы которых не известны ученым.

Согласно классической общей теории относительности, вся материя, из которой образовалась черная дыра, в конечном итоге оказывается в ее центре. Это конкретное предсказание известно как «проблема сингулярности».

В одной из своих основополагающих работ Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают энергию и медленно исчезают. Однако его работа предполагает, что испускаемое черными дырами излучение не содержит всей информации о материи, которая пошла на его формирование. В астрофизике это называется «проблемой потери информации».

Исследователи из Университета Нью-Брансуика в Канаде недавно разработали теоретическую модель, которая эффективно решает как проблему сингулярности, так и проблему потери информации, а также проливает больше света на то, как материя коллапсирует, образуя черные дыры. Сообщает Phys.org.

Разработанная ими модель предлагает альтернативный взгляд на формирование и эволюцию черных дыр, чем тот, который предлагался 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.

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», — рассказал один из авторов статьи Викар Хусейн.

Авторы новой теории создали компьютерную модель, где материя плавно сжималась в черную дыру. В качестве модели материи они использовали облако пыли.

Численный метод, который исследователи использовали в своем исследовании, был разработан Сергеем К. Годуновым, известным российским ученым, проводившим теоретические исследования, посвященные задачам течения жидкости. Примечательно, что этот метод может обрабатывать образование ударной волны, физическое явление, которое возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью и толкает окружающий воздух (например, когда струя преодолевает звуковой барьер).

«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», — говорят ученые.