Науковці запропонували нові моделі чорних дір без сингулярності

Нове дослідження, опубліковане в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), кидає виклик одному з найзагадковіших аспектів чорних дір — таємничій сингулярності в їхньому центрі, де закони фізики, здається, перестають діяти.

Чорні діри захоплюють уяву науковців від часу, коли Карл Шварцшильд вперше математично довів їхнє існування на основі рівнянь Ейнштейна в 1916 році. Хоча сучасні спостереження підтвердили існування цих екстремальних космічних об'єктів, проблемне математичне передбачення точки нескінченної густини в їхньому центрі досі залишається науково незадовільним.

«Hic sunt leones» (лат. «тут живуть леви») — так характеризує гіпотетичну сингулярність у центрі стандартних чорних дір Стефано Ліберті, один з авторів дослідження та директор IFPU. Цей латинський вислів, який історично використовувався на картах для позначення недосліджених територій, влучно описує наше сучасне розуміння центрів чорних дір — областей, де наші закони фізики, здається, не працюють.

Проблема сингулярності залишалася невирішеною, незважаючи на значні спостережні досягнення. Виявлення гравітаційних хвиль від злиття чорних дір у 2015 році та вражаючі зображення, отримані телескопом Event Horizon у 2019 та 2022 роках, підтвердили існування чорних дір, але не надали жодного розуміння їхньої внутрішньої структури.

За словами Ліберті, така прогалина в знаннях є «неприйнятною ситуацією для науки». Саме тому дослідники тривалий час шукали альтернативні моделі, де квантові ефекти могли б «вилікувати» сингулярність.

Особлива цінність нової публікації полягає в її колаборативному підході. Замість того, щоб походити від однієї дослідницької групи, вона синтезує обговорення провідних експертів, які зібралися на спеціальному семінарі IFPU. «Це щось більше», — пояснює Ліберті. «Це результат серії дискусій між провідними експертами в галузі — теоретиками та феноменологами, молодшими та старшими дослідниками — усіма, хто зібрався разом під час спеціального семінару IFPU».

У статті окреслено три основні моделі чорних дір:

• Стандартні чорні діри (з сингулярністю та горизонтом подій)
• Регулярні чорні діри (з горизонтом подій, але без сингулярності)
• Імітатори чорних дір (без сингулярності та горизонту подій)

Дві останні альтернативи пропонують потенційні шляхи вперед, які зберігають узгодженість з рівняннями Ейнштейна, уникаючи проблемної точки нескінченної густини. У роботі досліджується, як ці альтернативні структури можуть формуватися і, що найважливіше, як науковці могли б спостережно відрізнити їх від стандартних чорних дір.

Сучасні методи спостереження ще не надали остаточних відповідей щодо внутрішньої будови чорних дір. Проте Ліберті залишається оптимістичним: «Регулярні чорні діри, і особливо імітатори, ніколи не є точно ідентичними стандартним чорним дірам — навіть поза горизонтом подій. Тому спостереження, які досліджують ці області, могли б опосередковано розповісти нам щось про їхню внутрішню структуру».

Майбутні дослідження можуть виявити тонкі відхилення від передбачень Ейнштейна за допомогою дедалі досконаліших інструментів. Наприклад, зображення вищої роздільної здатності від телескопа Event Horizon могли б виявити неочікувані деталі у світлі, що викривляється навколо цих об'єктів. Детектування гравітаційних хвиль могло б показати аномалії, що узгоджуються з некласичними геометріями простору-часу.

Дослідницька група визнає поточні обмеження у передбаченні того, які саме збурення мають шукати спостерігачі. Однак теоретичне розуміння та числові симуляції швидко розвиваються, потенційно спрямовуючи розробку спеціалізованих спостережних інструментів.

Це дослідження має значення, що виходить за межі фізики чорних дір. Розв'язання проблеми сингулярності могло б сприяти розробці квантової теорії гравітації — довгоочікуваного мосту між загальною теорією відносності та квантовою механікою.

«Те, що чекає на дослідження гравітації, — підсумовує Ліберті, — це справді захопливий час. Ми входимо в еру, коли перед нами відкривається величезний і недосліджений ландшафт».

Стаття під назвою «До несингулярної парадигми фізики чорних дір» опублікована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.