Международная команда физиков допустила, что в расширяющейся Вселенной теоретически возможно существование черных дыр в статических парах, удерживаемых в равновесии «космологической постоянной».
Черные дыры — это объекты, чья гравитация так сильна, что «сворачивает» пространство-время, в итоге ничто, даже свет, не может покинуть черную дыру: все, что туда попало, там навсегда и останется.
Согласно классическим представлениям о черных дырах, основанным на Общей теории относительности Альберта Эйнштейна, эти объекты могут образовывать неподвижные или вращающиеся пары. Но со временем под влиянием гравитации они будут сближаться и в итоге сольются, что должно породить гравитационные волны.
Такое мнение было популярно среди ученых до конца 20-х годов прошлого века, когда полагали, что Вселенная статична и вечна. То есть предсказания ОТО о подобном поведении черных дыр характерны именно для статичной системы.
Однако в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что Вселенная расширяется. Спустя еще несколько десятилетий другие астрофизики обнаружили, что расширение происходит с ускорением. Чтобы объяснить это явление, в математическую модель Вселенной ученые ввели «космологическую постоянную» — темную энергию. Это гипотетическая форма энергии, которая равномерно заполняет все пространство и проявляется в антигравитации, то есть гравитации, отталкивающей, а не притягивающей массивные тела.
По данным, предоставленным в 2013 году космической обсерваторией «Планк», темная энергия составляет 68,3 процента от общей массы энергии наблюдаемой Вселенной (остальные 26,8 процента составляет темная материя, 4,9 процента — обычная материя). Отметим, что ученые до сих пор не имеют точного представления о темной энергии — более того, есть гипотеза, объясняющая расширение Вселенной безо всякой темной энергии.
Итак, воздействие темной энергии указывает на то, что черные дыры находятся в постоянно расширяющейся ткани пространства-времени. Означает ли это, что системы из двух черных дыр могут существовать в гармонии, то есть может ли расширение теоретически помочь таким парам находиться на безопасном расстоянии друг от друга и никогда не столкнуться?
В 2016 году лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO впервые в истории «поймала» гравитационные волны от двух сливающихся черных дыр. Это событие получило обозначение GW150914 и показало, что некоторые черные дыры действительно могут образовывать пары и сливаться. В таких системах объекты движутся по спирали в направлении друг к другу и в определенный момент гравитация берет верх — черные дыры сталкиваются, в результате огромное количество энергии высвобождается в виде гравитационных волн.
LIGO зарегистрировала сигнал от вращающихся парных черных дыр, а что на счет гипотетических статичных, могут ли они остаться в равновесии и никогда не столкнуться? Именно таким вопросом задалась группа физиков из Саутгемптонского и Кембриджского университетов (оба находятся в Великобритании), а также Барселонского университета (Испания).
С помощью численных методов и сложных математических моделей ученые выяснили, что теоретически две статичные (не вращающиеся) черные дыры могут существовать в равновесии, когда гравитационное притяжение компенсируется расширением пространства-времени между ними. Даже при ускоренном расширении черные дыры остаются «запертыми» на фиксированном расстоянии друг от друга. Как бы сильно расширение ни пыталось «разъединить» их, гравитация компенсирует это. Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.
«С точки зрения наблюдателя пара статичных черных дыр, скорее всего, будет выглядеть как одна. Такую дыру будет достаточно сложно заметить и тем более определить, система это из двух дыр или один объект», — объяснил один из авторов исследования Оскар Диас.
Ученые отметили, что их решение может быть применимо и к вращающимся черным дырам («черные дыры Керра»), и даже к более экзотическим системам, состоящим из трех и четырех черных дыр.