Теоретическая модель предлагает новый взгляд на образование и эволюцию черных дыр
AstroNews.ru - 24 Апреля 2022 13:34:45
Черные дыры - это области в пространстве, характеризующиеся гравитационными полями такой интенсивности, что ни материя, ни излучение не могут выйти из них. Они представляют собой решения полевых уравнений Эйнштейна, в центре которых находится точка с нефизически бесконечной плотностью.
Согласно классической теории общей теории относительности, вся материя, которая пошла на формирование черной дыры, в конечном итоге оказывается в ее центре. Это конкретное предсказание известно как "проблема сингулярности".
В одной из своих фундаментальных работ Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают энергию и что они медленно исчезают. Однако его работа предполагает, что излучение, испускаемое черными дырами, не содержит всей информации о материи, которая пошла на их образование. В астрофизике это называется "проблемой потери информации".
Исследователи из Университета Нью-Брансуика в Канаде недавно разработали теоретическую модель, которая эффективно решает и проблему сингулярности, и проблему потери информации, а также проливает больше света на то, как материя коллапсирует, образуя черные дыры. Разработанная ими модель, представленная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, предлагает альтернативный взгляд на формирование и эволюцию черных дыр по сравнению с классическими теориями.
"Вопрос о судьбе черной дыры и о том, что происходит с материей (или информацией), которая ее образовала, остается открытой проблемой уже пятьдесят лет", - сообщили Викар Хусайн Джарод Джордж Келли, Роберт Сантакруз и Эдвард Уилсон-Юинг, ученые, проводившие исследование. "Широко распространено мнение, что для решения этой проблемы необходима теория. Мы многое знаем о том, как коллапсирующая материя образует черные дыры в общей теории относительности, но вопрос о том, как происходит коллапс в квантовой гравитации, также остается открытой проблемой".
Основной целью недавней работы Хусайна и его коллег было создание модели, которая точно решает проблему сингулярности и гравитационного коллапса одновременно. Для этого они использовали конструкцию петлевой квантовой гравитации, чтобы включить фундаментальную дискретность пространства в классические уравнения, описывающие гравитационный коллапс.
"Мы изучали проблему, используя простую пылевую материю, которая не оказывает давления, потому что это самый простой тип материи; ее движение описывается управляемым уравнением, которое можно решить на ноутбуке", - объяснил Хусайн. "Это уравнение - модифицированная версия классических уравнений Эйнштейна, которая учитывает фундаментальную дискретность пространства на микроскопическом уровне".
Численный метод, который исследователи использовали в своем исследовании, был разработан Сергеем К. Годуновым, известным российским ученым, который проводил теоретические исследования, сосредоточенные на проблемах течения жидкости. Примечательно, что этот метод может работать с образованием ударной волны - физическим явлением, которое возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью и давит на окружающий воздух (например, когда реактивная струя преодолевает звуковой барьер).
"Мы проследили эволюцию облака разрушающихся частиц пыли до образования черной дыры", - говорят Хусайн, Келли, Сантакруз и Уилсон-Юинг. "Численный метод позволил нам проследить эволюцию материи даже внутри области черной дыры в направлении точки, где в классическом решении находилась бы сингулярность".
Уравнение с поправкой на квантовую гравитацию, представленное Хусайном и его коллегами, решает проблему сингулярности более динамично, чем классические модели. Более конкретно оно предполагает, что материя падает в центр черной дыры, достигает большой, но конечной плотности, а затем отскакивает назад, образуя ударную волну.
"Эффекты квантовой гравитации важны для ударной волны и позволяют ей двигаться наружу внутри черной дыры, что невозможно при использовании классических уравнений", - говорят исследователи. "В то же время кривизна пространства-времени становится большой, но никогда не расходится (как это происходит в классической теории)".
Используя численный инструмент, введенный Годуновым, исследователи также смогли вычислить время жизни черной дыры - от ее образования до исчезновения, когда ударная волна выходит из ее горизонта и горизонты начинают исчезать. Интересно, что время жизни черной дыры, которое они вычислили, намного короче, чем время испарения, предсказанное Хокингом. Это говорит о том, что их модель может помочь решить проблему потери информации, но для подтверждения этого необходимо провести дополнительные исследования.
Кроме того, уравнение, изложенное Хусаином и его коллегами, вводит производство ударных волн при развитии черных дыр. Таким образом, в будущем это может подтолкнуть астрономов к оценке возможности обнаружения ударных волн, исходящих от черных дыр.
"Если это окажется возможным, наши результаты могут дать готовое объяснение; но это тоже требует дальнейшего тщательного изучения", - добавили исследователи. "В наших следующих исследованиях мы хотели бы попытаться установить, действительно ли проблема потери информации решена, изучить другие типы материи, оказывающие давление, и другие типы облаков материи, чтобы посмотреть, останется ли наш результат по ударным волнам качественно неизменным. Если это окажется так, то ударные волны могут стать универсальной сигнатурой, отмечающей смерть черной дыры".