Странные “ гравитационные молекулы ” могут вращаться вокруг черных дыр, как электроны, вращающиеся вокруг атомов
Черные дыры примечательны многими вещами, особенно своей простотой. Это просто… дыры. Это «черные». Эта простота позволяет нам проводить удивительные параллели между черными дырами и другими разделами физики. Например, группа исследователей показала, что частицы особого типа могут существовать вокруг пары черных дыр точно так же, как электрон может существовать вокруг пары атомов водорода – первый пример «гравитационной молекулы». Этот странный объект может дать нам подсказку о тождественности темной материи и основной природе пространства-времени.
Вспашка поля
Чтобы понять, как новое исследование, опубликованное в сентябре, попало в базу препринтов. arXiv, объясняет существование гравитационной молекулы, нам сначала нужно изучить один из самых фундаментальных – и, к сожалению, почти никогда не обсуждаемых – аспектов современной физики: поле.
Поле – это математический инструмент, который сообщает вам, что вы можете ожидать найти, путешествуя с места на место во Вселенной. Например, если вы когда-либо видели по телевизору прогноз погоды о температурах в вашем районе, вы смотрите на удобное для зрителя представление поля: когда вы путешествуете по своему городу или штату, вы будете знать, что за температуру, которую вы, вероятно, найдете, и где (и нужно ли вам принести куртку).
Этот вид поля известен как «скалярное», потому что «скаляр» – это причудливый математический способ сказать «всего лишь одно число». В мире физики есть и другие виды полей, такие как «векторные» поля и «тензорные» поля, которые предоставляют более одного числа для каждого места в пространстве-времени. (Например, если вы видите на своем экране карту скорости и направления ветра, значит, вы смотрите на векторное поле.) Но для целей этой исследовательской работы нам нужно знать только о скалярном виде.
Пара атомной энергии
В период расцвета середины 20-го века физики взяли концепцию поля, которая существовала веками в тот момент и была абсолютно устаревшей для математиков, и отправились с ней в город.
Они поняли, что поля – это не просто удобные математические уловки – они на самом деле описывают что-то сверхфундаментальное о внутренней работе реальности. По сути, они обнаружили, что все во Вселенной на самом деле является полем.
Возьмите скромный электрон. Из квантовой механики мы знаем, что довольно сложно точно определить, где находится электрон в любой данный момент. Когда квантовая механика только появилась, это было довольно неприятно понимать и распутывать, пока не появилась область знаний.
В современной физике мы представляем электрон как поле – математический объект, который сообщает нам, где мы, вероятно, заметим электрон в следующий раз, когда посмотрим. Это поле реагирует на окружающий мир – скажем, из-за электрического влияния ближайшего атомного ядра – и модифицируется, чтобы изменить место, где мы должны видеть электрон.
Конечным результатом является то, что электроны могут появляться только в определенных областях вокруг атомного ядра, что дает начало всей области химии (я немного упрощаю, но вы меня поняли).
Друзья из черной дыры
А теперь часть черной дыры. В атомной физике вы можете полностью описать элементарную частицу (например, электрон) тремя числами: ее массой, ее спином и ее электрическим зарядом. А в гравитационной физике вы можете полностью описать черную дыру с помощью трех чисел: ее массы, спина и заряда электрона.
Стечение обстоятельств? Жюри в этом вопросе нет, но пока мы можем использовать это сходство, чтобы лучше понять черные дыры.
На заполненном жаргоном языке физики элементарных частиц, который мы только что исследовали, вы можете описать атом как крошечное ядро, окруженное электронным полем. Это электронное поле реагирует на присутствие ядра и позволяет электрону появляться только в определенных областях. То же самое верно и для электронов вокруг двух ядер, например, в двухатомной молекуле, такой как водород (H2.)
Аналогичным образом можно описать окружающую среду черной дыры. Представьте себе крошечную сингулярность в черном сердце, чем-то напоминающем ядро атома, в то время как окружающая среда – обычное скалярное поле – похоже на то, что описывает субатомную частицу. Это скалярное поле реагирует на присутствие черной дыры и позволяет соответствующей частице появляться только в определенных областях. И так же, как в двухатомных молекулах, вы также можете описывать скалярные поля вокруг двух черных дыр, как в двойной системе черных дыр.
Авторы исследования обнаружили, что скалярные поля действительно могут существовать вокруг двойных черных дыр. Более того, они могут формировать определенные паттерны, напоминающие то, как электронные поля располагаются в молекулах. Таким образом, поведение скалярных полей в этом сценарии имитирует поведение электронов в двухатомных молекулах, отсюда и прозвище «гравитационные молекулы».
Почему интерес к скалярным полям? Ну, во-первых, мы не понимаем природу темной материи или темной энергии, и возможно, и темная энергия, и темная материя могут состоять из одного или нескольких скалярных полей), точно так же, как электроны состоят из электронного поля.
Если темная материя действительно состоит из какого-то скалярного поля, то этот результат означает, что темная материя будет существовать в очень странном состоянии вокруг двойных черных дыр – таинственные темные частицы должны существовать на очень определенных орбитах, как и электроны в атомы. Но бинарные черные дыры не вечны; они испускают гравитационное излучение и в конечном итоге сталкиваются и сливаются в единую черную дыру. Эти скалярные поля темной материи будут влиять на любые гравитационные волны, испускаемые во время таких столкновений, потому что они будут фильтровать, отклонять и изменять любые волны, проходящие через области повышенной плотности темной материи. Это означает, что мы могли бы обнаружить этот вид темной материи с достаточной чувствительностью в существующих детекторах гравитационных волн.
Вкратце: скоро мы сможем подтвердить существование гравитационных молекул и через это откроем окно в скрытый темный сектор нашего космоса.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
