Когда речь заходит о черных дырах, обычно вспоминают две их определяющие характеристики: горизонт событий и сингулярность. Действительно, эти элементы естественным образом возникают в метриках, являющихся решениями уравнений поля Эйнштейна в рамках общей теории относительности (ОТО).
Существуют два типа черных дыр, о которых мы говорим. С одной стороны, это теоретические черные дыры, описываемые ОТО, такие как метрика Шварцшильда (для простой невращающейся черной дыры) и метрика Керра (для незаряженной вращающейся черной дыры, используемая для визуализации в фильмах, например, в «Интерстеллар»). С другой стороны, есть черные дыры, которые мы наблюдаем напрямую, такие как M87* и Стрелец A* (SagA*). Телескоп Event Horizon Telescope показал, что наблюдаемые объекты вращаются, и их структура вблизи горизонта, насколько это возможно увидеть, идеально согласуется с моделью Керра. Однако наши наблюдения не позволяют увидеть ни сам горизонт событий (так как свет, пересекающий его, навсегда остается в ловушке), ни тем более заглянуть внутрь черной дыры, чтобы убедиться в наличии сингулярности.
Содержание
Парадоксы классической гравитации
Хотя сингулярности и горизонты событий являются естественным следствием метрик, они порождают серьезные проблемы для физики. Сингулярность — это математическая точка, характеризующаяся бесконечной плотностью и нулевым объемом, где привычные законы физики разрушаются. Эта концепция настолько проблематична, что для ее обхода была предложена гипотеза космической цензуры, утверждающая, что сингулярности всегда должны быть скрыты горизонтом событий.
Сам горизонт событий также вызывает фундаментальные затруднения, прежде всего связанный с информационным парадоксом. Поскольку любой объект, пересекающий горизонт, навсегда теряется для остальной Вселенной, содержащаяся в нем информация также утрачивается.
В поисках квантового решения
Поскольку общая теория относительности является классической теорией, подобно ньютоновской динамике, для полного описания Вселенной, имеющей квантовую природу, необходима квантовая теория гравитации. Существует ряд доказательств того, что квантовая физика могла бы решить упомянутые проблемы. Например, принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно иметь точную массу в точной точке, что, по-видимому, препятствует образованию сингулярностей. Кроме того, излучение Хокинга могло бы со временем позволить энергии и информации покидать черную дыру.
Большинство теоретических исследований альтернатив фокусируется на квантовой стороне. В петлевой квантовой гравитации (loop quantum gravity) предполагается, что вместо сингулярности внутри черной дыры может образовываться «планковская звезда» (Planck star), состоящая из квантовой пены (quantum foam) пространства-времени. Аналогичная концепция, «пушистый шар» (fuzzball), появляется в теории струн, где сингулярность заменяется шаром из вырожденных струн.
Классический запрет: метрика Хейворда
Однако, поскольку у нас нет наблюдательных доказательств ни квантовой гравитации, ни теории струн, можно рассмотреть возможность решения проблем, оставаясь в рамках классической физики. Можно ли найти метрику черной дыры, предполагая истинность ОТО, но добавляя условие запрета сингулярностей?
Да, и это метрика Хейворда. Эта метрика является минимальным решением уравнений поля Эйнштейна, удовлетворяющим требованиям стационарности, асимптотической плоскостности и сферической симметрии, но с обязательным условием отсутствия сингулярности. В отличие от нее, метрика Шварцшильда удовлетворяет только первым трем условиям.
Главное отличие черной дыры Хейворда состоит в том, что в ней нет сингулярности; центр объекта локально плоский, как любая область глубокого космоса. Более того, в модели Хейворда отсутствует истинный горизонт событий. Вместо этого существует кажущийся горизонт (apparent horizon), который может удерживать материю в течение длительного времени, но позволяет ей и энергии постепенно ускользать. Этот эффект напоминает излучение Хокинга, но достигается без привлечения квантовой физики.
Для сверхмассивных черных дыр этот эффект ускользания настолько мал, что черная дыра Хейворда будет практически неотличима от черной дыры Шварцшильда. Ключевой вывод состоит в том, что, хотя все текущие наблюдения согласуются со стандартными моделями, метрика Хейворда также соответствует имеющимся данным. Единственный большой вопрос заключается в том, что модель Хейворда просто запрещает сингулярности, не предлагая физического механизма их предотвращения. Однако если модель Хейворда верна, то все тонкие проблемы, связанные с сингулярностями и горизонтами событий, могут оказаться совершенно бессмысленными.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
