Учёные Барселонского университета описали образование чёрных дыр без сингулярностей, используя только гравитационные эффекты. Это открытие может значительно улучшить понимание квантовой природы гравитации и структуры пространства-времени.
Традиционные чёрные дыры, предсказанные теорией общей относительности Альберта Эйнштейна, содержат так называемые сингулярности. Разрешение проблемы сингулярностей в контексте квантовой гравитации является одной из фундаментальных задач теоретической физики.
Команда экспертов из Института космических наук Барселонского университета (ICCUB) впервые описала создание регулярных чёрных дыр исключительно за счёт гравитационных эффектов, без необходимости существования экзотической материи, которая требовалась в некоторых предыдущих моделях.
Экзотическая материя – это гипотетический тип материи с необычными свойствами, не встречающимися в обычном веществе. Она часто обладает отрицательной плотностью энергии, создаёт «отталкивающие» гравитационные эффекты и может нарушать некоторые энергетические условия в общей теории относительности. Экзотическая материя в основном теоретическая и не наблюдалась в природе, но используется в моделях для изучения таких концепций, как кротовые норы, сверхсветовое путешествие и разрешение сингулярностей чёрных дыр.
Новое исследование математически демонстрирует, что бесконечная серия гравитационных поправок высшего порядка может устранить эти сингулярности и привести к образованию так называемых «регулярных» чёрных дыр. В отличие от предыдущих моделей, которые требовали наличия экзотической материи, новое исследование показывает, что чистая гравитация – без дополнительных полей материи – может генерировать чёрные дыры без сингулярностей.
«Красота нашей конструкции заключается в том, что она основана только на модификациях уравнений Эйнштейна, естественно предсказываемых квантовой гравитацией. Никаких других компонентов не требуется», – говорит исследователь Пабло А. Кано из Департамента квантовой физики и астрофизики факультета физики и ICCUB.
Теории, разработанные командой ICCUB, применимы к любому измерению пространства-времени, большему или равному пяти. «Причина рассмотрения более высоких измерений пространства-времени чисто техническая, – поясняет Кано, – поскольку это позволяет нам уменьшить математическую сложность проблемы». Однако исследователи утверждают, что «те же выводы должны применяться и к четырёхмерному пространству-времени».
Роби Хенниган из UB и ICCUB добавляет: «Большинство учёных согласны с тем, что сингулярности общей теории относительности в конечном итоге должны быть разрешены, хотя мы очень мало знаем о том, как этот процесс может быть достигнут. Наша работа предоставляет первый механизм для достижения этого надёжным способом, хотя и при определённых предположениях о симметрии».
Исследование также изучает термодинамические свойства этих чёрных дыр и показывает, что они соответствуют первому закону термодинамики. Разработанные теории обеспечивают надёжную основу для понимания термодинамики чёрных дыр полностью универсальным и однозначным способом.
Исследователи планируют расширить свою работу на четырёхмерное пространство-время и изучить последствия своих открытий в различных астрофизических сценариях. Они также намерены исследовать стабильность и возможные наблюдательные признаки этих регулярных чёрных дыр.
«Эти теории не только предсказывают чёрные дыры без сингулярностей, но и позволяют нам понять, как эти объекты формируются и какова судьба материи, падающей в чёрную дыру. Мы уже работаем над этими вопросами и ожидаем получить действительно захватывающие результаты», – заключает Кано.