Черные дыры - это области в пространстве, характеризующиеся гравитационными полями такой интенсивности, что ни материя, ни излучение не могут выйти из них. Они представляют собой решения полевых уравнений Эйнштейна, в центре которых находится точка с нефизически бесконечной плотностью.
Согласно классической теории общей теории относительности, вся материя, которая пошла на формирование черной дыры, в конечном итоге оказывается в ее центре. Это конкретное предсказание известно как "проблема сингулярности".
В одной из своих фундаментальных работ Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают энергию и что они медленно исчезают. Однако его работа предполагает, что излучение, испускаемое черными дырами, не содержит всей информации о материи, которая пошла на их образование. В астрофизике это называется "проблемой потери информации".
Исследователи из Университета Нью-Брансуика в Канаде недавно разработали теоретическую модель, которая эффективно решает и проблему сингулярности, 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 по сравнению с классическими теориями.
"Вопрос о судьбе черной дыры и о том, что происходит с материей (или информацией), которая ее образовала, остается открытой проблемой уже пятьдесят лет", - сообщили Викар Хусайн Джарод Джордж Келли, Роберт Сантакруз и Эдвард Уилсон-Юинг, ученые, проводившие исследование. "Широко распространено мнение, что для решения этой проблемы необходима теория. Мы многое знаем о том, как коллапсирующая материя образует черные дыры в общей теории относительности, но вопрос о том, как происходит коллапс в квантовой гравитации, также остается открытой проблемой".
Основной целью недавней работы Хусайна и его коллег было создание модели, 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 изучали 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", - объяснил Хусайн. "Это уравнение - модифицированная версия классических уравнений Эйнштейна, которая учитывает фундаментальную дискретность пространства на микроскопическом уровне".
Численный метод, который исследователи использовали в своем исследовании, был разработан Сергеем К. Годуновым, известным российским ученым, который проводил теоретические исследования, сосредоточенные на проблемах течения жидкости. Примечательно, что этот метод может работать с образованием ударной волны - физическим явлением, которое возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью и давит на окружающий воздух (например, когда реактивная струя преодолевает звуковой барьер).
"Мы проследили эволюцию облака разрушающихся частиц пыли до образования черной дыры", - говорят Хусайн, Келли, Сантакруз и Уилсон-Юинг. "Численный метод позволил нам проследить эволюцию материи даже внутри области черной дыры в направлении точки, где в классическом решении находилась бы сингулярность".
Уравнение с поправкой на квантовую гравитацию, представленное Хусайном и его коллегами, решает проблему сингулярности более динамично, чем классические модели. Более конкретно оно предполагает, 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 вычислить время жизни черной дыры - от ее образования до исчезновения, когда ударная волна выходит из ее горизонта и горизонты начинают исчезать. Интересно, что время жизни черной дыры, которое они вычислили, намного короче, чем время испарения, предсказанное Хокингом. Это говорит о том, что их модель может помочь решить проблему потери информации, но для подтверждения этого необходимо провести дополнительные исследования.
Кроме того, уравнение, изложенное Хусаином и его коллегами, вводит производство ударных волн при развитии черных дыр. Таким образом, в будущем это может подтолкнуть астрономов к оценке возможности обнаружения ударных волн, исходящих от черных дыр.
"Если это окажется возможным, наши результаты могут дать готовое объяснение; но это тоже 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, оказывающие давление, и другие типы облаков материи, чтобы посмотреть, останется ли наш результат по ударным волнам качественно неизменным. Если это окажется так, то ударные волны могут стать универсальной сигнатурой, отмечающей смерть черной дыры".
По информации https://www.astronews.ru/cgi-bin/mng.cgi?page=news&news=20220424132852
Обозрение "Terra & Comp".
