Предоставлено: Хусейн и др.

Черные дыры — это области в космосе, характеризующиеся настолько интенсивными гравитационными полями, что ни материя, ни излучение не могут выйти из них. Это решения уравнений поля Эйнштейна с точкой нефизической бесконечной плотности в центре.

Согласно классической общей теории относительности, вся материя, из которой образовалась черная дыра, в конечном итоге оказывается в ее центре. Это конкретное предсказание известно как «проблема сингулярности».

В одной из своих основополагающих работ Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают энергию и медленно исчезают. Однако его работа предполагает, что испускаемое черными дырами излучение не содержит всей информации о материи, которая пошла на его формирование. В астрофизике это называется «проблемой потери информации».

Исследователи из Университета Нью-Брансуика в Канаде недавно разработали теоретическую модель, которая эффективно решает как проблему сингулярности, так и проблему потери информации, а также проливает больше света на то, как материя коллапсирует, образуя черные дыры. Разработанная ими модель, представленная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , предлагает альтернативный взгляд на формирование и эволюцию черных дыр, чем тот, который предлагался классическими теориями.

«Вопрос о судьбе черной дыры и о том, что происходит с материей (или информацией), из которой она образовалась, оставался открытым в течение пятидесяти лет», — Викар Хусейн, Джарод Джордж Келли, Роберт Сантакруз и Эдвард Уилсон-Юинг, исследователи. кто проводил исследование, сообщил Phys.org по электронной почте. «Широко распространено мнение, что для решения этой проблемы требуется теория квантовой гравитации . Мы много знаем о том, как коллапсирующее вещество образует черные дыры в общей теории относительности, но вопрос о том, как происходит коллапс в квантовой гравитации, также остается открытой проблемой».

Ключевой целью недавней работы Хусейна и его коллег было представить модель, которая точно решает проблему сингулярности и гравитационного коллапса одновременно. Для этого они использовали конструкцию петлевой квантовой гравитации, чтобы включить фундаментальную дискретность пространства в классические уравнения, описывающие гравитационный коллапс.

«Мы изучили проблему, используя простую пылевую материю, которая не оказывает давления, потому что это самый простой тип материи; ее движение описывается управляемым уравнением, которое можно решить на ноутбуке», — пояснил Хусейн. «Это уравнение представляет собой модифицированную версию классических уравнений Эйнштейна, которая включает в себя фундаментальную дискретность пространства на микроскопическом уровне».

Численный метод, который исследователи использовали в своем исследовании, был разработан Сергеем К. Годуновым, известным российским ученым, проводившим теоретические исследования, посвященные задачам течения жидкости. Примечательно, что этот метод может обрабатывать образование ударной волны, физическое явление, которое возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью и толкает окружающий воздух (например, когда струя преодолевает звуковой барьер).

«Мы следили за эволюцией облака коллапсирующих частиц пыли, пока оно не образовало черную дыру», — сказали Хусейн, Келли, Сантакрус и Уилсон-Юинг. «Численный метод позволил нам проследить эволюцию материи даже внутри области черной дыры по направлению к точке, где в классическом решении была бы сингулярность».

Уравнение с поправкой на квантовую гравитацию, введенное Хусейном и его коллегами, решает проблему сингулярности более динамично, чем классические модели. В частности, предполагается, что материя падает в центр черной дыры, достигает большой, но конечной плотности, а затем отскакивает назад, образуя ударную волну.

«Эффекты квантовой гравитации важны для ударной волны и позволяют ей двигаться наружу внутри черной дыры, что невозможно при использовании классических уравнений», — говорят исследователи. «В то же время кривизна пространства -времени становится большой, но никогда не расходится (как это происходит в классической теории)».

Используя численный инструмент, введенный Годуновым, исследователи также смогли рассчитать время жизни черной дыры, от ее образования до ее исчезновения, когда из ее горизонта выходит ударная волна, и горизонты начинают исчезать. Интересно, что рассчитанное ими время жизни черной дыры намного меньше времени испарения, предсказанного Хокингом. Это говорит о том, что их модель может помочь решить проблему потери информации, но для подтверждения этого потребуются дополнительные исследования.

Кроме того, уравнение, изложенное Хусейном и его коллегами, вводит образование ударных волн при развитии черных дыр. Таким образом, в будущем это может побудить астрономов оценить возможность обнаружения ударных волн, исходящих от черных дыр.

«Если это окажется возможным, наши результаты могут дать готовое объяснение, но и это требует дальнейшего тщательного изучения», — добавили исследователи. «В наших следующих исследованиях мы хотели бы попытаться установить, действительно ли проблема потери информации решена, изучить другие типы материи, которые оказывают давление, и другие типы облаков материи, чтобы увидеть, остается ли наш результат ударной волны качественно неизменным. Если это окажется так, то ударные волны могут стать универсальным признаком смерти черной дыры».