Новое исследование показывает, что черные дыры могут быть не такими уж и бесструктурными образованиями, какими их предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Вместо этого космические монстры могут быть причудливыми квантовыми объектами, известными как «замороженные звезды».
Хотя эти объекты имеют некоторое сходство с черными дырами, гипотетические небесные тела отличаются друг от друга по важнейшим параметрам, которые потенциально могут разрешить печально известный парадокс излучения Хокинга (названный в честь покойного физика Стивена Хокинга, который предложил это явление). Этот парадокс возникает потому, что теоретическое излучение, испускаемое горизонтом событий черной дыры, по всей видимости, не несет никакой информации о материи, из которой образовалась черная дыра, что противоречит фундаментальному принципу квантовой механики, гласящему, что информация не может быть уничтожена.
Более того, в отличие от обычных черных дыр, замороженные звезды, как ожидается, не будут содержать сингулярность — точку бесконечной плотности в своем центре, — что разрешает еще одно противоречие между классической картиной черных дыр и общим правилом физики, согласно которому бесконечности не могут существовать в природе. Когда в теории появляются бесконечности, это обычно свидетельствует об ограниченности теории.
«Замороженные звезды — это разновидность имитаторов черных дыр: ультракомпактные астрофизические объекты, которые не имеют сингулярностей, не имеют горизонта, но при этом могут имитировать все наблюдаемые свойства черных дыр», — сообщил Live Science Рами Бруштейн, профессор физики в Университете Бен-Гуриона в Израиле. «Если они действительно существуют, то это указывает на необходимость существенного и фундаментального изменения общей теории относительности Эйнштейна».
Бруштейн — ведущий автор исследования, описывающего теорию замороженных звезд, опубликованного в июле в журнале Physical Review D.
Разрешение парадокса
Классическая модель черной дыры, впервые описанная Карлом Шварцшильдом в 1916 году, представляет черные дыры как обладающие двумя ключевыми характеристиками: сингулярностью, в которой сосредоточена вся масса, и горизонтом событий — границей, за которую не может выйти ничто, даже свет.
Однако при введении квантовой механики эта модель сталкивается с серьезной проблемой. В 1970-х годах Стивен Хокинг знаменито обнаружил, что квантовые эффекты вблизи горизонта событий должны приводить к созданию частиц из вакуума пространства — процесс, известный как излучение Хокинга. Это излучение заставит черную дыру постепенно терять массу и в конце концов полностью испариться.
Парадокс возникает потому, что это излучение не несет никакой информации о материи, которая первоначально образовала черную дыру. Если черная дыра полностью испарится, эта информация, похоже, будет потеряна навсегда, что нарушает принципы квантовой механики, согласно которым информация должна сохраняться. Это противоречие известно как парадокс потери информации, и оно является одной из самых серьезных проблем в теоретической физике.
В своем новом исследовании Бруштейн и его соавторы А.Дж.М. Медвед из Университета Родоса и Тамар Симхон из Университета Бен-Гуриона провели подробный теоретический анализ модели замороженных звезд и обнаружили, что она разрешает парадоксы традиционной модели, поскольку в ней отсутствуют горизонт и сингулярность.
Авторы обнаружили, что если черные дыры на самом деле являются очень компактными объектами, состоящими из сверхжесткой материи, свойства которой навеяны теорией струн, ведущим кандидатом на создание теории квантовой гравитации, то они не распадаются на бесконечно плотные точки, а имеют размер чуть больше, чем обычный горизонт событий, что препятствует формированию последнего.
«Мы показали, что замороженные звезды ведут себя как (почти) идеальные поглотители, хотя и не имеют горизонта событий, и служат источником гравитационных волн», — говорит Бруштейн, отмечая, что эти объекты могут поглощать практически все, что на них падает, подобно черным дырам. «Более того, они имеют ту же внешнюю геометрию, что и обычная модель черных дыр, и воспроизводят их обычные термодинамические свойства».
Хотя модель замороженной звезды представляет собой потенциальное решение парадоксов, связанных с традиционными черными дырами, ученым еще предстоит проверить ее экспериментально.
Но в отличие от обычных черных дыр, замороженные звезды, как ожидается, имеют внутреннюю структуру, хотя и с причудливыми свойствами, продиктованными квантовой гравитацией. Это открывает путь к наблюдательной дифференциации между ними. Доказательством могут служить гравитационные волны — пульсации в ткани пространства-времени, — возникающие при слиянии черных дыр.
«Именно тогда различия будут наиболее ярко выражены», — пояснил Бруштейн.
Команде еще предстоит выяснить, как именно будет выглядеть внутренняя структура замороженной звезды и чем она будет отличаться от других экстремальных космических объектов, таких как нейтронные звезды, но это вполне достижимо, говорит Бруштейн. После этого они могли бы проанализировать данные существующих и будущих гравитационно-волновых обсерваторий, поскольку гравитационные волны, излучаемые во время слияний, чрезвычайно мощны и могут нести информацию о структуре этих сверхкомпактных объектов.
«Открытие любого из предсказаний модели замороженной звезды будет иметь революционное значение», — сказал Бруштейн.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
