Бездны без сингулярности: Существуют ли черные дыры, бросающие вызов Эйнштейну?
Когда речь заходит о черных дырах, разговор почти всегда крутится вокруг горизонта событий и сингулярности. Ведь именно они определяют черную дыру, не так ли? Однако ответ на этот вопрос не столь однозначен и зависит от того, что именно мы подразумеваем под «черной дырой». Некоторые физики полагают, что черной дыре не нужна сингулярность, а это может означать, что у нее нет и горизонта событий.
Для начала разберемся с терминологией. С одной стороны, существуют теоретические черные дыры, описанные в рамках Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Это решения уравнений гравитационного поля, известные как метрики. Первую такую метрику для простой, невращающейся черной дыры нашел Карл Шварцшильд. Позже, в 1963 году, Рой Керр открыл метрику для незаряженной вращающейся черной дыры, которую сегодня используют для создания зрелищных сцен в фильмах вроде «Интерстеллар».
С другой стороны, есть черные дыры, которые мы наблюдаем непосредственно, такие как M87* и Стрелец А* в центре нашего Млечного Пути. Данные с телескопа «Горизонт событий» показывают, что эти объекты вращаются, а их структура вблизи горизонта в пределах точности наблюдений идеально согласуется с моделью Керра.
Конечно, наши наблюдения не позволяют заглянуть внутрь черной дыры, поэтому мы не можем с уверенностью утверждать, что там есть сингулярность. Точно так же мы не можем увидеть и сам горизонт событий, поскольку любой свет, пересекший его, навсегда исчезает из видимой Вселенной. Таким образом, хотя у нас и нет доказательств отсутствия сингулярностей и горизонтов событий, теоретически возможны и альтернативные модели, не противоречащие текущим наблюдениям.
Эта дискуссия крайне важна, потому что, хотя сингулярности и горизонты событий естественным образом возникают в уравнениях ОТО, они же порождают множество проблем. Сингулярность — это математическая точка с бесконечной плотностью и нулевым объемом, где известные законы физики перестают работать. Проблема настолько серьезна, что физики выдвинули гипотезу космической цензуры, постулирующую, что все сингулярности скрыты горизонтом событий, чтобы мы не должны были о них беспокоиться.
Но и у горизонта событий есть свои недостатки. Поскольку любой объект, пересекший его, никогда не сможет вернуться, информация, которую он несет, безвозвратно теряется для Вселенной. Это порождает парадокс исчезновения информации. Замкнутый круг.
Один из способов разрешить эти противоречия — найти модель черной дыры без сингулярности и горизонта событий. В конце концов, ОТО — это классическая теория, подобно ньютоновской динамике. Реальная же Вселенная квантовой природы, а значит, нам необходима квантовая теория гравитации.
И есть свидетельства, что квантовая физика способна решить эти проблемы. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно иметь точную массу в точной точке пространства, что, вероятно, предотвращает образование сингулярностей. А благодаря излучению Хокинга энергия и информация могут со временем покидать черную дыру.
Большинство теоретических изысканий в этой области сфокусированы на квантовых аспектах. Например, в теории петлевой квантовой гравитации квантовая пена пространства-времени может означать, что внутри черной дыры формируется не сингулярность, а так называемая «Планковская звезда». В теории струн существует модель «клубка» (fuzzball), где сингулярность заменяется на сферу из вырожденных струн. Существуют и альтернативные классические теории гравитации, способные устранить проблемы ОТО.
Но если у нас нет наблюдательных подтверждений ни квантовой гравитации, ни альтернативных теорий относительности, ни теории струн, зачем отказываться от старого доброго Эйнштейна? Что, если мы предположим, что ОТО верна, но просто наложим запрет на сингулярности? Возможна ли такая метрика? Да, и она известна как метрика Хейуорда.
Метрика Хейуорда — это минимальное решение уравнений Эйнштейна, которое является статическим, асимптотически плоским, сферически симметричным и несингулярным. Для сравнения, модель Шварцшильда удовлетворяет только первым трем условиям. Таким образом, черная дыра Хейуорда — это, по сути, невращающаяся черная дыра Шварцшильда, но без сингулярности. И это одно отличие влечет за собой несколько ключевых изменений.
Самое очевидное изменение — отсутствие сингулярности. Вместо бесконечного искривления пространства в точку, центр такой черной дыры является локально плоским, как и любая область глубокого космоса. Более тонкое изменение заключается в том, что у черной дыры Хейуорда нет горизонта событий. Вместо него существует видимый горизонт, который удерживает материю очень долгое, но не бесконечное время. Со временем материя и энергия могут постепенно покидать черную дыру. Этот эффект аналогичен излучению Хокинга, но достигается без привлечения квантовой механики.
Для сверхмассивных черных дыр этот эффект настолько ничтожен, что черная дыра Хейуорда была бы практически неотличима от черной дыры Шварцшильда. И в этом — ключевой момент. Хотя все наши наблюдения согласуются со стандартными моделями, они точно так же согласуются и с моделью Хейуорда.
Разумеется, есть одно большое «но»: нам неизвестен физический механизм, который предотвращал бы образование сингулярностей. Модель Хейуорда просто постулирует этот запрет. Но если эта модель верна, то все те хлопотные проблемы, связанные с сингулярностями и горизонтами событий, могут оказаться… надуманными.
Что это значит для будущего астрофизики? Модель Хейуорда и ей подобные бросают вызов не столько самим основам ОТО, сколько их экстремальным проявлениям. Они предлагают элегантный выход из тупика парадоксов, сохраняя при этом предсказательную силу теории Эйнштейна в большинстве других ситуаций.
Поиск наблюдаемых различий между этими моделями станет ключевой задачей для следующего поколения обсерваторий. Возможно, едва уловимые искажения в тени черной дыры или особенности в гравитационно-волновых сигналах от слияний когда-нибудь позволят нам заглянуть за видимый горизонт и узнать, что же скрывается в самом сердце этих загадочных объектов. Пока же тайна остается нераскрытой, оставляя простор для смелых теоретических изысканий, которые продолжают расширять границы нашего понимания Вселенной.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
