Пол М. Саттер - астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий « Спроси космонавта» и космического радио , а также автор книги « Как умереть в космосе» . Саттер опубликовал эту статью для журнала Expert Voices: Op-Ed & Insights на Space.com.
Сингулярность в центре черной дыры - это абсолютная нейтральная зона: место, где материя сжимается до бесконечно крошечной точки, а все представления о времени и пространстве полностью рушатся. И этого на самом деле не существует. Что-то должно заменить сингулярность, но мы не совсем уверены, что именно.
Звезды Планка
Может случиться так, что глубоко внутри черной дыры материя не сплющивается до бесконечно крошечной точки. Вместо этого могла быть наименьшая возможная конфигурация материи, наименьший возможный карман объема.
Это называется звездой Планка , и это теоретическая возможность, предполагаемая петлевой квантовой гравитацией, которая сама по себе является весьма гипотетическим предложением для создания квантовой версии гравитации. В мире петлевой квантовой гравитации пространство и время квантуются - Вселенная вокруг нас состоит из крошечных дискретных частей, но в таком невероятно крошечном масштабе, что наши движения кажутся плавными и непрерывными.
Эта теоретическая фрагментарность пространства-времени дает два преимущества. Во-первых, он доводит мечту о квантовой механике до ее окончательного заключения, объясняя гравитацию естественным образом. Во-вторых, это делает невозможным формирование сингулярностей внутри черных дыр.
Когда материя сжимается под огромным гравитационным весом коллапсирующей звезды, она встречает сопротивление. Дискретность пространства-времени не позволяет материи достичь чего-либо меньшего, чем длина Планка (примерно 1,68 умножить на 10 ^ -35 метров, так что ... мало). Весь материал, который когда-либо попадал в черную дыру, сжимается в шар не намного больше этого. Совершенно микроскопический, но определенно не бесконечно маленький.
Это сопротивление продолжающемуся сжатию в конечном итоге заставляет материал не схлопнуться (то есть взорваться), делая черные дыры лишь временными объектами. Но из-за экстремальных эффектов замедления времени вокруг черных дыр, с нашей точки зрения, во внешней Вселенной требуются миллиарды, даже триллионы лет, прежде чем они начнут бум. Итак, на данный момент все готово.
Gravastars
Еще одна попытка искоренить сингулярность - та, которая не опирается на непроверенные теории квантовой гравитации - известна как гравастар. Это настолько теоретическая концепция, что моя программа проверки орфографии даже не распознала это слово.
Разница между черной дырой и гравастаром в том, что вместо сингулярности гравастар заполнен темной энергией . Темная энергия - это вещество, которое пронизывает пространство-время, заставляя его расширяться наружу. Это звучит как научная фантастика, но это реально: темная энергия в настоящее время действует в большом космосе, заставляя всю нашу Вселенную ускоряться в своем расширении.
Когда материя падает на гравастар, она не может фактически проникнуть за горизонт событий (из-за всей этой темной энергии внутри) и поэтому просто висит на поверхности. Но за пределами этой поверхности гравастары выглядят и действуют как обычные черные дыры.
Однако недавние наблюдения слияния черных дыр с детекторами гравитационных волн потенциально исключили существование гравазвезд, потому что слияние гравазвезд будет давать другой сигнал, чем слияние черных дыр, а такие устройства, как LIGO ( лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн ) и Дева, являются с каждым днем получаю все больше и больше примеров. Хотя гравастары не являются чем-то запретным для нашей вселенной, они определенно находятся на тонком льду.
Пойдем на спину
Звезды Планка и гравазвезды могут иметь удивительные имена, но реальность их существования вызывает сомнения. Так что, возможно, есть более приземленное объяснение сингулярностей, основанное на более тонком и реалистичном взгляде на черные дыры в нашей Вселенной .
Идея единой точки бесконечной плотности исходит из нашей концепции неподвижных, невращающихся, незаряженных, довольно скучных черных дыр. Настоящие черные дыры - гораздо более интересные персонажи, особенно когда они вращаются.
Спин вращающейся черной дыры вытягивает сингулярность в кольцо. И согласно математике общей теории относительности Эйнштейна (которая является единственной математикой, которая у нас есть), как только вы проходите через сингулярность кольца, вы входите в червоточину и вылетаете через белую дыру (полярная противоположность черной дыры , куда ничего не может войти и материя устремляется со скоростью света) в совершенно новый и захватывающий участок Вселенной.
Одна проблема: внутренности вращающихся черных дыр катастрофически нестабильны. И это согласно той же математике, которая приводит к предсказанию материала о путешествии в новую вселенную.
Проблема с вращающимися черными дырами в том, что ... ну, они вращаются. Сингулярность, растянутая в кольцо, вращается с такой фантастической скоростью, что обладает невероятной центробежной силой. А в общей теории относительности достаточно сильные центробежные силы действуют как антигравитация: они толкают, а не тянут.
Это создает границу внутри черной дыры, называемую внутренним горизонтом. За пределами этой области излучение падает внутрь к сингулярности, вызванное сильнейшим гравитационным притяжением. Но излучение выталкивается антигравитацией вблизи кольцевой сингулярности, и поворотной точкой является внутренний горизонт. Если бы вам пришлось столкнуться с внутренним горизонтом, вы бы столкнулись со стеной бесконечно энергичного излучения - всей прошлой истории Вселенной, которая ударила вам в лицо менее чем за мгновение ока.
Формирование внутреннего горизонта сеет семена разрушения черной дыры. Но вращающиеся черные дыры, безусловно, существуют в нашей Вселенной, так что это говорит нам о том, что наша математика неверна и происходит что-то странное.
Что на самом деле происходит внутри черной дыры? Мы не знаем - и самое страшное в том, что мы никогда не узнаем.