Внутри чёрных дыр может не быть сингулярностей? Физики впервые описали модель, основанную только на гравитации
Столкновение с чёрной дырой — не самая радужная перспектива. Ещё со времён Эйнштейна мы знаем, что эти космические монстры обладают настолько чудовищной гравитацией, что даже свет не в силах вырваться из их цепких объятий. А в самом сердце чёрной дыры, согласно общей теории относительности (ОТО), скрывается сингулярность — точка бесконечной плотности, где все известные нам законы физики попросту перестают работать. Звучит жутковато, не правда ли?
Но что, если мы скажем вам, что сингулярность — это не приговор? Что, если сама гравитация, виновница появления чёрных дыр, способна их же и «исцелить»? Звучит как научная фантастика, но именно к такому выводу пришли учёные из Университета Барселоны, опубликовав результаты своего исследования в престижном журнале Physics Letters B.
Квантовая гравитация: в поисках утраченного звена
Проблема сингулярностей — один из главных камней преткновения современной физики. ОТО блестяще описывает гравитацию в масштабах планет и звёзд, но пасует перед экстремальными условиями внутри чёрных дыр. Здесь на сцену должна выйти квантовая теория гравитации — пока ещё не созданная теория, которая объединит принципы ОТО и квантовой механики. Именно она, как полагают учёные, сможет дать ответ на вопрос: что же на самом деле происходит в центре чёрной дыры?
Пока квантовая гравитация остаётся лишь мечтой, исследователи ищут обходные пути. Один из них — так называемые «регулярные чёрные дыры». Это теоретические модели, в которых сингулярность заменяется неким «гладким» ядром, где плотность материи хоть и огромна, но всё же конечна. Большинство таких моделей, увы, грешат одним недостатком: они требуют введения некой «экзотической» материи с необычными свойствами, которая и обеспечивает эту «регулярность».
Гравитация наносит ответный удар
Испанские физики пошли другим путём. Они решили обойтись без «костылей» в виде экзотической материи и построить модель регулярной чёрной дыры, используя исключительно гравитационные взаимодействия. Для этого они обратились к так называемым квазитопологическим теориям гравитации. Что это за зверь?
Представьте себе ОТО, но с «добавками». Эти «добавки» — сложные математические конструкции, включающие в себя степени кривизны пространства-времени. Они становятся важны лишь в экстремальных условиях, например, вблизи сингулярности. Квазитопологические теории — это особый класс таких теорий, обладающих рядом замечательных свойств. Во-первых, они достаточно общие, чтобы описывать широкий спектр возможных модификаций ОТО. Во-вторых, они позволяют получать точные решения для чёрных дыр, что значительно упрощает анализ.
Бесконечность — не предел
Исследователи обнаружили, что если учесть бесконечное число таких «гравитационных добавок» (а не одну-две, как это обычно делается), то сингулярность в центре чёрной дыры… исчезает! Вместо неё образуется область, напоминающая по своим свойствам так называемую «вселенную де Ситтера» — пространство с постоянной кривизной. Это похоже на то, как если бы внутри чёрной дыры открывался портал в другой мир!
Конечно, речь идёт о математической модели. Но она демонстрирует удивительную вещь: сама гравитация, при правильном её описании, способна устранить сингулярности, которые сама же и порождает!
Хейворд и компания: знакомые всё лица
В качестве иллюстрации учёные приводят несколько примеров полученных ими решений. Среди них — чёрная дыра, обобщающая знаменитую модель Хейворда, предложенную ещё в 2006 году. Но, в отличие от оригинальной модели, новая чёрная дыра Хейворда «соткана» исключительно из гравитации, без привлечения каких-либо дополнительных полей. Также найдены решения, напоминающие модели Бардина и Дымников. Все они объединены одним важным свойством: они уникальны. Это означает, что для каждой заданной массы существует только одна статическая и сферически симметричная чёрная дыра, удовлетворяющая уравнениям теории.
Что дальше?
Работа испанских физиков — это важный шаг на пути к пониманию природы чёрных дыр и квантовой гравитации. Она открывает новые горизонты для исследований и ставит интересные вопросы. Например, как ведут себя эти «регулярные» чёрные дыры при столкновениях? Не скрывается ли за ними какая-то ещё более фундаментальная теория? И, наконец, можно ли распространить этот подход на четырёхмерное пространство-время, в котором мы с вами живём?
Ответы на эти вопросы ещё предстоит найти. Но уже сейчас ясно одно: чёрные дыры — это не просто бездонные пропасти, а, возможно, ключ к разгадке самых глубоких тайн Вселенной. И кто знает, может быть, именно гравитация, а не экзотическая материя, станет тем спасительным кругом, который вытащит нас из пучины сингулярностей.