Ранее существовало мнение, что черные дыры – это объекты, нарушающие физические законы. Однако, согласно новому исследованию, даже в рамках Общей теории относительности черная дыра может избежать сингулярности, то есть точки, где физические законы перестают действовать. Если это утверждение подтвердится, то для объяснения физических процессов внутри этих космических объектов не потребуется новая теория гравитации.
Идея о черных дырах возникла более ста лет назад, когда немецкий астроном и физик Карл Шварцшильд нашел решение уравнений Эйнштейна. Его модель предполагает, что в результате гравитационного сжатия может сформироваться область, содержащую центральную сингулярность и горизонт событий. Горизонт событий представляет собой предел: все, что его преодолевает, оказывается неспособным покинуть эту область или передать информацию вовне. Это обстоятельство делает строение черных дыр недоступным для непосредственного изучения.
Однако, у этой картины есть существенный недостаток: сингулярность приводит к тому, что математическое описание пространства-времени становится недействительным. Поскольку физикам недоступно наблюдение за тем, что происходит с материей после пересечения горизонта событий, некоторые исследователи полагают, что точная теория гравитации должна каким-то образом избегать сингулярностей, заменяя их на конечные образования, такие как чрезвычайно плотное ядро или переход в другую область пространства-времени.
В последние годы возникло большое количество альтернативных моделей. Среди них — так называемые регулярные черные дыры, которые сохраняют горизонт событий, но устраняют сингулярность за счет специфической внутренней структуры. Другой класс объектов представляют собой имитаторы черных дыр. Эти объекты могут не обладать ни сингулярностью, ни горизонтом событий вовсе. К ним, в частности, относятся гипотетические гравастары и некоторые типы проходимых червоточин. Наблюдателю они могут казаться практически неотличимыми от обычных черных дыр, однако их внутренняя организация существенно отличается.
В связи с этим исследование физика Франческо Ди Филиппо, работающего в Институте теоретической физики в Германии, представляется весьма значимым. Он проанализировал процесс образования заряженной черной дыры, которая со временем исчезает под воздействием излучения Хокинга. Этот квантовый эффект был предсказан британским физиком Стивеном Хокингом еще в 1970-х годах. В соответствии с его теорией, черные дыры способны постепенно уменьшать свою массу, испуская при этом элементарные частицы.
В традиционной модели общей теории относительности гравитационный коллапс массивной звезды приводит к формированию сингулярности. Однако Ди Филиппо продемонстрировал, что исход может быть изменен благодаря сочетанию двух факторов. Первый из них – электромагнитное отталкивание, возникающее внутри заряженной чёрной дыры. Второй – самоизлучение Хокинга, которое подрывает энергетические условия, являющиеся основой теорем о неизбежности сингулярности. Как следствие, сжатие может прекратиться до того, как вещество достигнет состояния бесконечной плотности.
В определенных ситуациях происходит не только растворение сингулярности, но и устранение горизонта событий. По мере их исчезновения внутренний и внешний горизонты могут сходиться и в конечном итоге полностью аннигилировать. В таком случае, вещество, находящееся внутри, потенциально может вновь выбраться из зоны сильной гравитации, а структура пространства-времени остаётся предсказуемой.
Новое исследование представляет собой объединение двух ключевых направлений современной теоретической физики. В его основе лежат концепции регулярных черных дыр, не содержащих сингулярности, и модели объектов, существующие без горизонта событий. Ди Филиппо не использовал экзотическую материю и не изменял уравнения Эйнштейна. Все необходимые механизмы уже известны: гравитация, электромагнитное отталкивание и квантовое испарение.
Действительно, на текущем этапе эти модели носят скорее теоретический характер. 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, он также подчеркнул, что речь не идет о полной замене традиционной теории относительности. Тем не менее, такие исследования являются значимым этапом в понимании того, как общая теория относительности и квантовые явления могут совместно описывать объекты с экстремальными свойствами. В случае подтверждения этих концепций, черные дыры утратят статус областей, где перестают действовать физические законы, и станут еще одним, хотя и очень специфичным, примером того, как Вселенная функционирует в соответствии с универсальными принципами.