Мы знаем, что существуют такие объекты как черные дыры, но что, если это нечто совершенно иное?
Новое исследование рассматривает альтернативную идею о природе черных дыр, предполагая, что они могут быть совсем не тем, чем мы их представляли до сих пор.
Черные дыры – это колоссальные источники гравитации, «пузыри» в пространстве-времени и настоящая головная боль для ученых. Предсказанные Общей теорией относительности Эйнштейна, они обладают внешней областью, известной как горизонт событий – из которой ничто, даже свет, не может вырваться. Кроме того, предполагается, что в их центре находится точка бесконечной плотности, где наши представления о физике рушатся, и ничто не имеет смысла.
Это еще мы не касались информационного парадокса черных дыр. Если черная дыра имеет массу (а у них ее очень много), то согласно первому закону термодинамики она должна обладать температурой, а согласно второму закону – излучать тепло. Стивен Хокинг показал, что черные дыры должны испускать излучение, теперь называемое излучением Хокинга, которое формируется на границе черной дыры.
«Хокинг указал на парадокс. Если черная дыра может испаряться, часть информации, которую она содержит, теряется навсегда», – объяснял французский астрофизик Жан-Пьер Люмине в своем эссе 2016 года. «Информация, содержащаяся в тепловом излучении черной дыры, деградирует; она не восстанавливает информацию о веществе, ранее поглощенном черной дырой. А необратимая потеря информации противоречит одному из основных постулатов квантовой механики. Согласно уравнению Шредингера, физические системы, изменяющиеся со временем, не могут создавать или уничтожать информацию – свойство, известное как унитарность».
Короче говоря, нам, вероятно, чего-то не хватает, и физики упорно работают с тех пор, как Карл Шварцшильд впервые описал невращающуюся черную дыру в 1915 году, чтобы разрешить эти противоречия.
Хотя мы знаем, что объекты, подобные черным дырам, существуют, некоторые физики предложили альтернативные объяснения того, чем они на самом деле являются. Одна из моделей предполагает, что это не черные дыры, впервые описанные уравнениями Эйнштейна (хотя сама идея черных дыр на самом деле старше Эйнштейна более чем на 100 лет), а ультракомпактные объекты (УКО), называемые «замороженными звездами».
«Замороженные звезды – это своего рода имитаторы черных дыр: ультракомпактные астрофизические объекты, которые свободны от сингулярностей, не имеют горизонта событий, но при этом могут имитировать все наблюдаемые свойства черных дыр», – объясняет Рами Брустейн, профессор физики Университета Бен-Гуриона в Израиле. «Если они действительно существуют, это будет указывать на необходимость значительной и фундаментальной модификации Общей теории относительности Эйнштейна».
Один из способов, которым физики пытались объяснить, как можно предотвратить сингулярности (области бесконечной плотности внутри черной дыры), заключается в том, что квантовая неопределенность препятствует этому коллапсу. То есть, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что чем больше вы знаете о положении частицы, тем меньше вы знаете о ее импульсе. Согласно этой идее, когда материя внутри черной дыры сжимается в одну точку, частицы будут сопротивляться этому сжатию и генерировать своего рода «квантовое давление», выталкивающее наружу и предотвращающее сингулярность.
Хотя «замороженные звезды» во многом похожи на черные дыры, которые мы наблюдаем и предполагаем, глядя на нашу галактику и Вселенную в целом, они отличаются несколькими интересными особенностями.
«Полимерная модель основана на представлении о том, что внутренняя часть любого обычного объекта, который успешно имитирует черную дыру (ЧД), должна находиться в сильно неклассическом состоянии, как следует из идеи о том, что принцип неопределенности предотвращает коллапс материи в сингулярность, подобно тому, как квантовый атом водорода стабилен против коллапса», – объясняет команда в своей статье.
«Сильно неклассическое состояние равносильно максимальной плотности энтропии, что, в свою очередь, означает максимально положительное радиальное давление для состояния с фиксированной плотностью энергии. Модель замороженной звезды стремится имитировать свойства этого высококвантового состояния с точки зрения классической геометрии, что сводится к «переворачиванию» радиального давления от максимально положительного к максимально отрицательному».
Эта альтернатива, вдохновленная теорией струн и исследованная математически в статье, описывает черную дыру, похожую на те, с которыми мы знакомы, от их теплового излучения до энтропии, но без связанных с ними сингулярностей, которые вызывают столько головной боли. Эта альтернатива также предполагает, что «замороженные звезды» могут иметь «файервол» внутри них в высоковозбужденном состоянии, предотвращая дальнейший коллапс. Что еще более важно, различия могут быть обнаружены с помощью будущих детекторов гравитационных волн от столкновения черных дыр.
Хотя эта идея интригует и, вероятно, заслуживает изучения, учитывая проблемы со стандартной моделью черных дыр, для описания внутренней части этой альтернативной модели необходимо проделать гораздо больше работы, прежде чем можно будет провести какие-либо тесты или сделать выводы.
Исследование опубликовано в Physical Review D.
Читайте также: Неуловимая «промежуточная» черная дыра обнаружена в сердце нашей Галактики
