Физик показал, что черные дыры могут существовать без сингулярности

Классическое представление о черных дырах (ЧД) появилось более века назад благодаря решению уравнений Эйнштейна немецким астрономом и физиком Карлом Шварцшильдом. Согласно его модели, после гравитационного коллапса может образоваться область с центральной сингулярностью и горизонтом событий. Последний действует как граница: все, что ее пересекает, уже не может вернуться обратно или выпустить информацию наружу. Это делает внутреннее устройство черных дыр недоступным для наблюдений.

У такой картины, однако, есть проблема: сингулярность означает, что математическое описание пространства-времени «ломается». Поскольку физики не могут проследить, что именно происходит с материей после попадания внутрь горизонта событий, некоторые ученые считают, что реалистичная теория гравитации должна каким-то образом устранять сингулярности, заменяя их на конечные структуры, например, сверхплотное ядро или переход в другую область пространства-времени.

Как черная дыра может избежать сингулярности?

За последние годы появилось множество альтернативных моделей. Одни из них — так называемые регулярные черные дыры — сохраняют горизонт событий, но избавляются от сингулярности благодаря особой внутренней геометрии. Другой класс объектов — имитаторы черных дыр. Они могут не иметь ни сингулярности, ни горизонта событий вообще. К ним относят, например, гипотетические гравастары и некоторые типы проходимых червоточин. Снаружи они могут выглядеть почти как обычные черные дыры, однако внутренняя структура совершенно иная.

На этом фоне новая работа физика Франческо Ди Филиппо выглядит особенно интересно. Он изучил сценарий формирования заряженной черной дыры, которая постепенно испаряется благодаря излучению Хокинга. Этот квантовый эффект британский физик Стивен Хокинг предсказал еще в 1970-х годах. Согласно нему, ЧД могут медленно терять массу, испуская частицы.

В классической картине ОТО коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности. Ди Филиппо, однако, показал, что изменить финал может сочетание двух эффектов. Первый — электромагнитное отталкивание внутри заряженной ЧД. Второй — само излучение Хокинга, которое нарушает так называемые энергетические условия, что лежат в основе теорем о неизбежности сингулярности.

В результате коллапс может остановиться раньше, чем вещество сожмется в бесконечно плотную точку. Более того, в некоторых сценариях исчезает не только сингулярность, но и горизонт событий. По мере испарения внутренний и внешний горизонты могут сближаться и в итоге полностью исчезнуть. Тогда вещество, оказавшееся внутри, теоретически получает возможность снова покинуть область сильной гравитации, а пространство-время остается предсказуемым.

Практические следствия и проверка гипотезы

Фактически новое исследование объединяет сразу два направления современной теоретической физики. С одной стороны, идеи регулярных черных дыр, в которых нет сингулярности. С другой — модели объектов, способных обходиться даже без горизонта событий. При этом Ди Филиппо не пришлось вводить экзотическую материю или переписывать уравнения Эйнштейна. Все механизмы уже известны: гравитация, электромагнитное отталкивание и квантовое испарение.

Правда, эти модели пока что остаются теоретическими. Современные наблюдения — включая «фотографии» сверхмассивных черных дыр и регистрацию гравитационных волн — еще не позволяют надежно отличить классическую ЧД от ее альтернативных версий. Ученые тем не менее уже предложили способы проверки. Можно, например, искать необычные «эхосигналы» в гравитационных волнах после слияния компактных объектов или анализировать нестандартные всплески излучения вещества вблизи горизонта событий.

Автор научной работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, также отметил, что речь не идет о готовой замене классической теории ЧД. Подобные исследования, однако, становятся важным шагом к пониманию того, как ОТО и квантовые эффекты могут совместно описывать экстремальные объекты. Если эти идеи получат подтверждение, черные дыры перестанут быть областями, где ломается физика, а превратятся в еще один, пусть и экстремальный, пример того, как Вселенная подчиняется единым законам.