Космический кристалл: как родить черную дыру из ничего

Когда мы думаем о черной дыре, то, скорее всего, представляем себе исполинского космического титана, жадно пожирающего любую материю, которой не посчастливилось попасть в зону его гравитационного влияния. Если копнуть глубже, воображение рисует нам этого ненасытного космического зверя, рожденного во взрывном коллапсе ядра массивной звезды. Возможно, мы даже видим сверхмассивную черную дыру в сердце галактики, возникшую в результате череды слияний черных дыр поменьше и достигшую массы в миллионы или даже миллиарды солнечных.

Однако, какой бы точной ни была эта картина, многие ученые давно подозревали, что это лишь верхушка айсберга, представляющая собой исключительно класс «астрофизических черных дыр». Исследователи предполагают, что черные дыры могут формироваться и в гораздо более скромных масштабах, не требующих ни существования, ни гибели звезд-гигантов или предшествующих пар черных дыр. В частности, многие физики считают, что крошечные черные дыры с массой небольшого астероида могли возникнуть непосредственно из флуктуаций плотности в горячей и сверхплотной материи, заполнявшей космос в первые мгновения после Большого взрыва. Эти объекты оставались гипотетическими, поскольку доказательства их существования найти не удавалось. Однако это не остановило ученых в размышлениях о неастрофизических черных дырах и путях их возникновения.

Одним из примеров такого поиска стало новое исследование ученых из Франкфуртского университета имени Гёте и Венского технического университета. Оно предполагает, что микроскопические черные дыры могут рождаться, когда сама ткань пространства и времени, объединенная в четырехмерную сущность под названием «пространство-время», претерпевает критический коллапс и самоорганизуется в регулярную, подобную кристаллу структуру. И хотя идея эта не совсем нова, команда впервые смогла математически описать это превращение. И что самое поразительное — сделали они это с помощью не более чем ручки и листа бумаги!

В то время как астрофизические черные дыры возникают в результате одних из самых титанических и жестоких событий во Вселенной, таких как коллапс ядра сверхновой или слияние черных дыр, заставляющих саму ткань пространства-времени звенеть от гравитационных волн, которые можно «услышать» за миллионы и даже миллиарды световых лет, команда обнаружила, что черные дыры критического коллапса могут рождаться от малейшего толчка.

«Иногда крошечной, казалось бы, незначительной причины достаточно, чтобы вызвать огромные и драматические перемены, — рассказал Space.com участник команды Даниэль Грумиллер из Венского технического университета. — Эти микроскопические черные дыры возникли бы, если у вас есть пространственно-временной кристалл и вы впрыскиваете в него сколь угодно малое количество энергии — примерно как переохлажденная вода, которую вы встряхиваете, чтобы она кристаллизовалась».

Грумиллер пояснил: когда жидкая вода находится в точке замерзания, требуется лишь небольшое воздействие, чтобы молекулы воды спонтанно выстроились в упорядоченный узор и образовали кристалл льда. Даже малейшее изменение в структуре пространства-времени может привести к развитию повторяющегося паттерна, в результате чего возникнет пространственно-временной кристалл, предполагают теоретики. Это и может запустить процесс критического коллапса.

«Критический пространственно-временной кристалл можно представить как воду в точке замерзания: хоть это всё еще вода, она уже "знает" о существовании льда, и малые возмущения могут превратить воду при нуле градусов Цельсия в лед, и наоборот», — добавил Грумиллер.

Выход на сцену пространства-времени

Эйнштейн в своей теории гравитации 1915 года, Общей теории относительности, предположил, что частицы массы заставляют искривляться саму ткань пространства-времени. Это значит, что когда частицы движутся сквозь пространство-время, они влияют на него. В этом и заключалась революционность переосмысления гравитации Эйнштейном: для Ньютона пространство и время были лишь сценой, на которой актеры Вселенной — материя и энергия — играют свои роли. Для Эйнштейна пространство-время стало частью самого спектакля. Именно эта активная роль делает возможным образование как астрофизических черных дыр, так и их миниатюрных собратьев.

«Мы говорим, что масса искривляет пространство-время, — пояснил в своем заявлении Кристиан Эккер из Института теоретической физики Франкфуртского университета имени Гёте. — Крупные объекты, такие как звезды, искривляют его сильно — к примеру, мы можем наблюдать это, когда лучи света отклоняются массивными звездами. Но и меньшие массы также создают кривизну, только в значительно меньшей степени». Однако, поскольку крошечные черные дыры горячее своих астрофизических собратьев, они стремительно «испускают» тепловое излучение, называемое излучением Хокинга, в холодный космос; и эти пространственно-временные кристаллические черные дыры должны почти мгновенно испаряться.

«Этот пространственно-временной кристалл — очень своеобразный и захватывающий объект. Это своего рода промежуточное состояние, нестабильная точка, которая может эволюционировать в двух разных направлениях, — продолжил Грумиллер. — Спустя некоторое время проявится нестабильность, и пространственно-временные кристаллы либо рассеются в излучение, либо коллапсируют в маленькую черную дыру. В случае коллапса в черную дыру она станет классически стабильной».

Тишина перед сингулярностью

Грумиллер пояснил, что одним из сюрпризов этого исследования оказалась невероятная простота их математических описаний, одновременно представляющих решения уравнений Общей теории относительности.

«Мы предложили первые решения для пространственно-временных кристаллов, полученные "на кончике пера", — сказал Грумиллер. — До нашей работы существовали лишь численные симуляции, но не было точных решений уравнений Эйнштейна. Мы были поражены, что решения оказались настолько простыми, что уместились в несколько строк и включали только элементарные функции — это было весьма неожиданно, учитывая сложность соответствующих численных симуляций, требующих тысяч часов компьютерных вычислений».

Безусловно, все это прекрасно, но демонстрация того, что черные дыры критического коллапса могли бы существовать и что этот механизм мог породить первичные черные дыры в плотной, богатой частицами среде сразу после Большого взрыва, на самом деле не доказывает, что они действительно существуют.

Эта математическая элегантность, однако, поднимает фундаментальный вопрос: если эти объекты столь легко описываются уравнениями, почему мы не видим их повсеместно? Дело в том, что условия для их возникновения столь же мимолетны, сколь и экзотичны. Если классическая черная дыра — это массивный, ревущий водоворот в ткани мироздания, то пространственно-временной кристалл — это, скорее, идеальная тишина, которая на долю секунды воцаряется перед фазовым переходом. Физикам еще предстоит разработать инструментарий для фиксации этих квантовых «зародышей», живущих исчезающе малые доли времени. В отличие от ряби гравитационных волн, чей гул детекторы LIGO и Virgo ловят уже несколько лет, сигнал от рождения микро-черной дыры невероятно высокочастотен и слаб. Чтобы его услышать, возможно, потребуются детекторы следующего поколения, работающие на принципах квантовой интерферометрии, которые только начинают разрабатываться в теоретических отделах.

Но даже если прямое обнаружение первичных черных дыр останется задачей для будущих поколений, понимание их природы заставляет нас пересмотреть саму роль наблюдателя во Вселенной. Ведь если черная дыра может родиться не из чудовищного взрыва, а из математического изящества почти неподвижного кристалла, то граница между «пустотой» и «катастрофой» в космосе оказывается куда более зыбкой, чем мы привыкли думать.

«Если нам повезет, наши коллеги-экспериментаторы когда-нибудь обнаружат первичные черные дыры. Но даже если этого никогда не случится, понимание критического коллапса означает понимание важной и концептуально богатой части Общей теории относительности, нашей лучшей на сегодняшний день теории гравитации, — заключил Грумиллер. — Наш следующий шаг — выяснить, верны ли наши разнообразные гипотезы о поведении критических пространственно-временных кристаллов».

Исследование команды было опубликовано в майском номере журнала Physical Review Letters.