Основываясь на общей теории относительности, многие физики считают, что в центре черной дыры находится сингулярность – область пространства-времени, в которой, согласно расчетам, вся масса объекта сконцентрирована. Сингулярность окружена горизонтом событий, который делает внутреннюю структуру космического объекта недоступной для наблюдений. Однако можно ли исключить эти элементы из математической модели? Авторы недавнего исследования предложили альтернативные модели черных дыр, отказавшись от сингулярности и, в некоторых случаях, от горизонта событий.
Классическое представление о черных дырах, которое включает в себя сингулярность в их ядрах, базируется на решении уравнений Эйнштейна, предложенном в 1916 году немецким физиком и астрономом Карлом Шварцшильдом. В нем черная дыра не имеет ни электрического заряда, ни углового момента, то есть не вращается. Но возникает проблема: из-за наличия сингулярности невозможно проследить эволюцию материи, попавшей внутрь. Это указывает на неполноту стандартной трактовки общей теории относительности, которая «ломается» в столь экстремальных условиях.
Именно поэтому некоторые ученые полагают, что физически достоверная теория гравитации должна избавляться от сингулярностей, заменяя их на конечные образования, такие как область с высокой, но ограниченной плотностью, или переход в другой регион пространства-времени. В ряде моделей горизонт событий можно заменить на временное явление или вовсе исключить.
В Институте фундаментальной физики Вселенной, расположенном в Италии, в ноябре 2024 года) состоялась научная конференция, посвященная обсуждению несингулярных (альтернативных) моделей черных дыр. По ее итогам международная исследовательская группа подготовила обзор, в котором систематизировала современные подходы и выделила два ключевых класса объектов: так называемые регулярные черные дыры (regular black holes) и имитаторы черных дыр (black hole mimickers).
Регулярные черные дыры сохраняют привычные черты классических объектов, такие как горизонт событий, однако сингулярность исчезает благодаря их внутренней структуре: в центре может находиться ядро с ограниченной плотностью или образование, похожее на червоточину. Горизонт событий в таких объектах может быть неустойчивым или кратковременным.
Имитаторы, в отличие от черных дыр, лишены горизонта событий и сингулярности. Это ультракомпактные, но стабильные астрофизические объекты, например, гипотетические гравастары или проходимые червоточины. Внешне они могут напоминать черные дыры, но отличаются по внутреннему устройству.
Хотя альтернативные модели выглядят перспективно с теоретической точки зрения, их практическое подтверждение представляет собой чрезвычайно трудную задачу. На текущий момент современные данные, такие как «изображения» сверхмассивных черных дыр и зарегистрированные гравитационные волны, не дают возможности достоверно различить классические черные дыры и их теоретические двойники.
Авторы статьи полагают, что достичь этого возможно путем наблюдения за эхосигналами в гравитационных волнах, которые возникают при слиянии компактных объектов, и изучения излучения аккрецирующего вещества. В частности, они предлагают анализировать нетипичные всплески, временные задержки и изменения в поляризации света. Данный текст является частью научной работы, прошедшей процедуру рецензирования и одобренной для публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, представлен на сервере препринтов Корнеллского университета.
Полученные данные не следует трактовать как завершенную теорию, но они могут служить перспективным вектором для дальнейших изысканий. Регулярные черные дыры и их аналоги – это не только математические модели, но и попытка переосмыслить свойства пространства, времени и материи в условиях экстремального гравитационного воздействия. Физики полагают, что подобные концепции способны сыграть важную роль в создании всеобъемлющей теории квантовой гравитации.
Некоторые физические теории предлагают способы избежать сингулярности в черных дырах, не отменяя при этом наличие горизонта событий, например, модель черных дыр в работах физика Николая Горькавого.