В 1963 году математик Рой Керр нашел решение уравнений Эйнштейна, которое точно описывало пространство-время вокруг вращающихся черных дыр. Однако в том время термин «черная дыра» еще не существовал, его придумали несколько лет спустя. На протяжении десятилетий ученые пытались доказать, что медленно вращающиеся черные дыры с малым угловым моментом стабильны. И, наконец-то, физикам это удалось.
Напомним, угловой момент — это физическая величина, которая характеризует количество вращательного движения и зависит от того, сколько массы вращается, как она распределена в пространстве и с какой угловой скоростью происходит само вращение.
Какие бывают черные дыры?
Известны четыре типа черных дыр, которые помогают представить решения Эйнштейновских уравнений, которые описывают силу тяжести в общей теории относительности. Две из них вращаются: это черные дыры Керра и Керра — Ньюмена.
Фото: ESO/M. Kornmesser, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons
Черные дыры Керра названы так по имени известного математика Роя Керра. Именно он нашел решения для уравнений, которые описали поведение вращающейся черной дыры. Впоследствии их дополнил Эзра Ньюмен. Он точно описывал геометрию пространства-времени, в котором присутствовал массивный объект, который отличается вращательным движением. Именно последний фактор отличает черные дыры Керра — Ньюмена от дыр Шварцшильда, которые обычно статичны. Кроме того, у черных дыр Керра — Ньюмена есть эргосфера. Напомним, это область пространства-времени вблизи вращающейся черной дыры, которая находится между горизонтом событий и пределом статичности. Объекты, находящиеся в пределах эргосферы, неизбежно вращаются вместе с черной дырой за счет эффекта Лензе — Тирринга.
В чем проблема?
Если черная дыра стабильна, она в конечном итоге вернется к математическому описанию Керра даже после сильного удара гравитационными волнами. Будь эти космические гиганты нестабильны, теорию гравитации Эйнштейна пришлось бы изменить на фундаментальном уровне, а научному сообществу — пересмотреть все знания о космических гигантах. Все говорило о том, что стабильность Керра обоснована, но доказать это не получалось.
Что выяснили ученые?
Чтобы решить проблему, ученые рассмотрели вопрос о том, могут ли гравитационные волны, попадающие в черную дыру, изменить или вовсе разрушить ее. Для примера можно представить винный бокал, пишет Quanta Magazine. Он начнет вибрировать и даже разобьется, если направить на него достаточное количество звуковых волн, точно соответствующих резонансной частоте емкости. В итоге физики задались вопросом, может ли подобное явление резонансного типа произойти, когда в черную дыру ударяют гравитационные волны.
Фото: NASA Goddard Space Flight Center
В ходе исследования ученые представили, что произойдет, если гравитационная волна пересечет горизонт событий черной дыры Керра и окажется «внутри» нее. Расчеты показали, что это может изменить ее массу и вращение, но она все равно будет объектом, который описывают уравнения Керра.
Так, исследователи показали, что медленно вращающиеся черные дыры не «разрушаются» в результате малого воздействия гравитационными волнами. Теоретики надеются, что в ближайшие несколько лет они обобщат полученные результаты на случай произвольного углового момента.
Что в итоге?
До сих пор стабильность доказали только для медленно вращающихся черных дыр, где отношение углового момента черной дыры к ее массе было намного меньше 1. Насчет быстро вращающихся объектов у ученых не были так уверенны . Кроме того, физики не знали, насколько малым должно быть отношение углового момента к массе, чтобы обеспечить ту самую стабильность.
Учитывая, что только один шаг в их длинном доказательстве основан на предположении о малом угловом моменте, Серджиу Клайнерман из Принстонского университета, соавтор исследования, отметил, что «совсем не удивится, если к концу десятилетия появится полное разрешение гипотезы Керра о стабильности».
Читать далее:
Ученые нашли черную дыру, которая в 50 раз больше галактик
Физики показали, что вода превращается в две жидкости при низких температурах
В России изобрели сплав, который выдержит энергию термоядерного реактора
Фото на обложке: ESO/L. Calçada, CC BY 4.0, Wikimedia Commons