Физик допустил существование черных дыр без сингулярности

Классическое представление о черных дырах (ЧД) появилось более века назад благодаря решению уравнений Эйнштейна немецким астрономом и физиком Карлом Шварцшильдом. Согласно его модели, после гравитационного коллапса может образоваться область с центральной сингулярностью и горизонтом событий. Последний действует как граница: все, что ее пересекает, уже не может вернуться обратно или выпустить информацию наружу. Это делает внутреннее устройство черных дыр недоступным для наблюдений.

У такой картины, однако, есть проблема: сингулярность означает, что математическое описание пространства-времени «ломается». Поскольку физики не могут проследить, что именно происходит с материей после попадания внутрь горизонта событий, некоторые ученые считают, что реалистичная теория гравитации должна каким-то образом устранять сингулярности, заменяя их на конечные структуры, например, сверхплотное ядро или переход в другую область пространства-времени. 

За последние годы появилось множество альтернативных моделей. Одни из них — так называемые регулярные черные дыры — сохраняют горизонт событий, но избавляются от сингулярности благодаря особой внутренней геометрии. Другой класс объектов — имитаторы черных дыр. Они могут не иметь ни сингулярности, ни горизонта событий вообще. К ним относят, например, гипотетические гравастары и некоторые типы проходимых червоточин. Снаружи они могут выглядеть почти как обычные черные дыры, однако внутренняя структура совершенно иная.

Физики предложили оставить черные дыры без сингулярности и горизонта событий Многие физики, основываясь на общей теории относительности, полагают, что в центре черной дыры есть сингулярность — область пространства-времени, в которой формально сосредоточена вся масса объекта… naked-science.ru

На этом фоне новая работа физика Франческо Ди Филиппо (Francesco Di Filippo) из Института теоретической физики в Германии выглядит особенно интересно. Он изучил сценарий формирования заряженной черной дыры, которая постепенно испаряется благодаря излучению Хокинга. Этот квантовый эффект британский физик Стивен Хокинг предсказал еще в 1970-х годах. Согласно нему, ЧД могут медленно терять массу, испуская частицы.

Поясним: в классической картине ОТО коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности. Ди Филиппо, однако, показал, что изменить финал может сочетание двух эффектов. Первый — электромагнитное отталкивание внутри заряженной ЧД. Второй — само излучение Хокинга, которое нарушает так называемые энергетические условия, что лежат в основе теорем о неизбежности сингулярности. В результате коллапс может остановиться раньше, чем вещество сожмется в бесконечно плотную точку. 

Более того, в некоторых сценариях исчезает не только сингулярность, но и горизонт событий. По мере испарения внутренний и внешний горизонты могут сближаться и в итоге полностью исчезнуть. Тогда вещество, оказавшееся внутри, теоретически получает возможность снова покинуть область сильной гравитации, а пространство-время остается предсказуемым.

Новая теория квантовой гравитации утверждает, что ни один объект не имеет точно определенной масс… Попытки объединения квантовой теории и гравитации на протяжении многих десятилетий не удавались. Новый вариант такого объединения выглядит несколько лучше предшествующих, но делает предсказания, с … naked-science.ru

Фактически новое исследование объединяет сразу два направления современной теоретической физики. С одной стороны, идеи регулярных черных дыр, в которых нет сингулярности. С другой — модели объектов, способных обходиться даже без горизонта событий. При этом Ди Филиппо не пришлось вводить экзотическую материю или переписывать уравнения Эйнштейна. Все механизмы уже известны: гравитация, электромагнитное отталкивание и квантовое испарение.

Правда, эти модели пока что остаются теоретическими. Современные наблюдения — включая «фотографии» сверхмассивных черных дыр и регистрацию гравитационных волн — еще не позволяют надежно отличить классическую ЧД от ее альтернативных версий. Ученые тем не менее уже предложили способы проверки. Можно, например, искать необычные «эхосигналы» в гравитационных волнах после слияния компактных объектов или анализировать нестандартные всплески излучения вещества вблизи горизонта событий.

Автор научной работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, также отметил, что речь не идет о готовой замене классической теории ЧД. Подобные исследования, однако, становятся важным шагом к пониманию того, как ОТО и квантовые эффекты могут совместно описывать экстремальные объекты. Если эти идеи получат подтверждение, черные дыры перестанут быть областями, где ломается физика, а превратятся в еще один, пусть и экстремальный, пример того, как Вселенная подчиняется единым законам.