Щоразу, коли хтось говорить про чорні діри, то майже завжди каже про горизонт подій та сингулярність. Зрештою, це те, що визначає чорну діру, чи не так? Ну, це залежить від того, що ви маєте на увазі під чорною дірою. Є ті, хто стверджує, що чорній дірі не потрібна сингулярність, і це може означати, що у цих об’єктів навіть немає горизонту подій.

Перш ніж ми заглибимося в чорні діри, давайте спочатку розрізнимо ці два типи. З одного боку, у нас є теоретичні чорні діри, як описано в загальній теорії відносності (ЗТВ). Це розв’язки рівнянь поля ЗТВ Айнштайна, відомі як метрики. Першу метрику чорної діри відкрив Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) і вона описує просту чорну діру, що не обертається. Протягом багатьох років було знайдено й інші метрики, такі як метрика Керра, відкрита в 1963 році Роєм Керром (Roy Kerr), яка описує незаряджену обертову чорну діру. Цю метрику використовують для візуалізації всіх тих крутих сцен у фільмах, таких як «Інтерстеллар».

У 1979 році Жан-П’єр Люміне (Jean-Pierre Luminet) зробив перше моделювання того, як чорна діра викривляє світло навколо себе. Авторські права на зображення: Жан-П’єр Люміне. Фото з сайту www.universetoday.com.

З іншого боку, є чорні діри, які ми спостерігали прямо, такі як M87* та чорна діра в центрі нашої галактики, SagA*. Телескоп горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT) зібрав велику кількість даних про ці дві чорні діри, а тому ми знаємо, що вони обертаються та мають структуру поблизу горизонту, яка — в межах наших спостережень — ідеально узгоджується з моделлю Керра. Звісно, жодне з наших спостережень не може «проникнути» всередину чорної діри, тому ми не знаємо напевно, чи має вона сингулярність. Так само ми не можемо бачити сам горизонт подій, оскільки будь-яке світло, що перетинає горизонт подій, затримується назавжди. Отже, хоча в нас немає доказів того, що чорні діри не мають сингулярностей та горизонтів подій, альтернативні моделі, які узгоджуються з поточними спостереженнями, також теоретично можливі.

Перше пряме зображення надмасивної чорної діри в нашій галактиці. Авторські права на зображення: EHT Collaboration. Фото з сайту www.universetoday.com.

Це важливо тому, що хоча сингулярності та горизонти подій природно з’являються в метриках чорних дір, вони також спричиняють всілякі проблеми. Проста сингулярність — це математична точка нескінченної щільності та нульового об’єму, де закони фізики не діють. Це так проблематично, що фізики застосували гіпотезу космічної цензури, щоб стверджувати: сингулярності завжди оповиті горизонтом подій, тому нам не потрібно про них турбуватися. Але горизонти подій мають свої власні проблеми. Оскільки будь-який об’єкт, який перетинає горизонт подій, ніколи не може вийти з чорної діри, інформація, що міститься в об’єкті, назавжди втрачається для Всесвіту, створюючи інформаційний парадокс. Ми йдемо по колу.

Один зі способів вирішити все це — знайти модель чорної діри без сингулярності та горизонту подій. Зрештою, загальна теорія відносності — це класична теорія, подібна до ньютонівської динаміки. Реальний Всесвіт має квантову природу, тому нам справді потрібна квантова теорія гравітації. І є деякі докази того, що квантова фізика може вирішити ці проблеми. Принцип невизначеності Гейзенберґа стверджує, що неможливо визначити точне значення маси в точній точці простору, тому квантова теорія, ймовірно, запобігає утворенню сингулярностей, а випромінювання Гокінґа може уможливити вихід енергії та інформації з чорної діри із часом.

Більшість теоретичних досліджень цих ідей зосереджені на квантовому боці речей. Наприклад, у петлевій квантовій гравітації квантова піна простору-часу може означати, що чорні діри утворюють «зорю Планка» («Planck star») в межах горизонту подій, а не сингулярність. Схожа модель, відома як фузбол (fuzzball), з’являється в теорії струн, де сингулярність замінює куля вироджених струн. Існують також альтернативні класичні теорії загальній теорії відносності, які можуть усунути її проблеми.

Але зважаючи на те, що немає спостережних доказів квантової гравітації, альтернативної теорії відносності чи теорії струн, чому б не дотримуватися поглядів старого професора Айнштайна? Що, якби ми припустили, що загальна теорія відносності істинна, але додали обмеження — сингулярності заборонені? Чи можлива така метрика чорної діри? Так, і вона відома як метрика Гейворда (Hayward).

Метрика Гейворда — це мінімальний розв’язок рівнянь поля Айнштайна з такими обмеженнями: статичне, асимптотично плоске, сферично симетричне та несингулярне. На противагу цьому, модель Шварцшильда для чорної діри є мінімальним розв’язком, який задовольняє перші три обмеження. Отже, чорна діра Гейворда — це, фактично, чорна діра Шварцшильда без обертання і сингулярності. Але ця відмінність приводить до кількох змін.

Графік, що порівнює метрику Шварцшильда з метрикою Гейворда. Ззовні чорні діри Шварцшильда та Гейворда майже ідентичні. Авторські права на зображення: Jens Boos/Universe. Фото з сайту www.universetoday.com.

Найочевиднішою зміною є те, що чорна діра Гейворда не має сингулярності. Замість того, щоб простір постійно деформувався до нульової точки, центр чорної діри локально плоский, як і будь-яка ділянка глибокого космосу. Більш тонкою зміною є те, що чорні діри Гейворда не мають горизонту подій. Натомість модель має видимий горизонт, який містить матерію протягом тривалого часу. З часом матерія та енергія можуть поступово витікати. Це схоже на ефект випромінювання Гокінґа, але без використання квантової фізики. Для надмасивних чорних дір цей ефект такий малий, що чорна діра Гейворда майже не відрізняється від чорної діри Шварцшильда. І це головний момент. Хоча всі наші спостереження за чорними дірами узгоджуються зі стандартними моделями, чорні діри Гейворда також узгоджуються з даними.

Звичайно, один великий нюанс полягає в тому, що ми не знаємо жодного фізичного механізму, який би запобіг утворенню сингулярностей. Модель Гейворда просто забороняє їх указом. Але якщо модель Гейворда правильна, то всі ці химерні проблеми з сингулярностями та горизонтами подій можуть бути... безглуздими.

Посилання:

Rovelli, Carlo, and Francesca Vidotto. «Planck stars.» *International Journal of Modern Physics D* 23.12 (2014): 1442026.

Mathur, Samir D. «A proposal to resolve the black hole information paradox.» *International Journal of Modern Physics D* 11.10 (2002): 1537-1540.

Hayward, Sean A. «Formation and evaporation of nonsingular black holes.» *Physical review letters* 96.3 (2006): 031103.

За інф. з сайту www.universetoday.com