Чёрные дыры всё-таки могут подчиняться законам физики, предполагает новая теория
Загадочная природа такого явления, как чёрные дыры, давно будоражит умы учёных. Центральная проблема связана с предсказанием существования сингулярности — точки с бесконечной плотностью в их центре. “Сингулярность — самая загадочная и проблемная часть чёрной дыры. Именно там наши представления о пространстве и времени буквально перестают иметь смысл,” — отмечают исследователи. Однако новая теоретическая работа предлагает иной взгляд. Возможно, чёрные дыры не содержат сингулярностей. А значит, они могут подчиняться известным законам физики.
Проблема сингулярности
Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО), описывающая гравитацию, предсказывает: когда массивная звезда коллапсирует под собственным весом, она сжимается в бесконечно малую точку. Эта точка и есть сингулярность. Плотность и гравитация там становятся бесконечными. Но такие бесконечности — признак того, что теория неполна или применяется там, где не должна.
На сверхмалых масштабах в игру вступает квантовая механика. Однако объединить ОТО и квантовую механику пока не удалось. Особенно сложно это сделать в экстремальных условиях сингулярности. Эта нестыковка теорий — одна из главных проблем современной физики.
Новая гипотеза: топологические солитоны
Исследователи под руководством Танмая Вачаспати из Университета штата Аризона и Деяна Стойковича из Университета Буффало предложили альтернативу. Вместо формирования сингулярности, материя, коллапсирующая в чёрную дыру, может претерпевать фазовый переход. Подобно тому, как вода превращается в лёд, структура пространства-времени внутри чёрной дыры может измениться.
В результате может образоваться сложная структура, известная как топологический солитон. Солитоны — это устойчивые, уединённые волны или структуры, сохраняющие форму при движении. В данном контексте топологический солитон представляет собой стабильную конфигурацию пространства-времени без бесконечной плотности.
Вачаспати сравнивает эти структуры с дефектами в кристаллах или складками в ткани пространства-времени, возникшими в ранней Вселенной. Снаружи такая структура будет неотличима от обычной чёрной дыры, предсказанной ОТО. Однако внутри сингулярности не будет.
Как проверить теорию?
Главное преимущество новой теории — её можно проверить экспериментально. Когда две чёрные дыры сливаются, они излучают гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени. Если внутри чёрных дыр нет сингулярности, а есть сложная структура, это может повлиять на форму гравитационных волн.
Учёные предполагают, что внутренняя структура может вызывать своего рода “эхо” в гравитационно-волновом сигнале. Или же сигнал будет немного отличаться от предсказаний ОТО для идеальных чёрных дыр с сингулярностями.
Существующие детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, Virgo и KAGRA, уже собирают данные о слияниях. Анализ этих данных может выявить тонкие отклонения, предсказанные новой теорией. Будущие детекторы, например, космическая обсерватория LISA, будут ещё чувствительнее. Они смогут предоставить более точные данные для проверки.
Значение для физики
Если теория подтвердится, это будет огромный прорыв. Она устранит парадокс сингулярности и покажет, что чёрные дыры подчиняются законам физики, хотя и несколько иначе, чем мы думали. Это также может стать шагом к созданию единой теории, объединяющей гравитацию и квантовую механику. В итоге, самые загадочные объекты во Вселенной могут оказаться чуть менее таинственными.