Андрей Тихомиров
Научные исследования удостоверяют – 3
Чёрные дыры во Вселенной
Раджибул Шейх из Института фундаментальных исследований Тата в Индии предложил способ отличить горловины кротовых нор от чёрных дыр. Препринт научной статьи с теоретическими выкладками физика опубликован на сайте arXiv.org.
Кротовая нора (она же кротовина и червоточина) – это гипотетический объект, в каждый момент времени представляющий собой "прямой туннель" между теми или иными областями пространства. Представим себе измятый лист бумаги. Можно путешествовать, не покидая его поверхности. Тогда, чтобы попасть из точки А в точку Б, придётся добросовестно преодолеть все её изгибы. А можно "проколоть" поверхность и попасть в нужную точку на другой стороне напрямик. Вот такую возможность и предоставляет червоточина (правда, не космическим кораблям, а в лучшем случае фотонам).
Кротовые норы давно будоражат воображение физиков, ведь это способ заглянуть в области пространства, недоступные для прямого наблюдения из-за совсем небольшой в масштабах космоса скорости света. Кроме того, согласно некоторым теориям, червоточины соединяют разные вселенные в Мультивселенной. А значит, потенциально можно заглянуть и в другую вселенную.
Наличие червоточин не противоречит общей теории относительности Эйнштейна – наиболее глубокой и лучше всего проверенной на сегодняшний день теории пространства-времени. Правда, для поддержания кротовины необходимы экзотические формы материи, в существовании которых физики пока не уверены.
Там, где теоретикам не хватает знаний, может помочь наблюдение. Трудность в том, что для астронома "вход" в кротовую нору (горловина, как говорят специалисты) должен выглядеть практически так же, как чёрная дыра.
Как известно, чёрные дыры не наблюдаются непосредственно, на то они и чёрные. Их обнаруживают благодаря свечению падающего на них вещества, параметрам орбит тел-спутников, а с недавних пор ещё и гравитационным волнам. Однако до сих пор астрономам не было известно способа отличить чёрную дыру от кротовой норы.
Шейх предлагает такой метод. Он основывается на особой структуре, которая образуется из-за воздействия гравитации чёрной дыры на окружающие её фотоны. Это характерная тёмная область на ярком фоне, так называемая тень. Источником "подсветки", необходимой для создания тени, может являться как диск падающей в чёрную дыру материи (аккреционный диск, как говорят специалисты), так и другие небесные тела.
Физик рассмотрел определённый класс червоточин, так называемые кротовые норы Тео. Он теоретически изучил зависимость формы тени горловины от скорости её вращения вокруг своей оси. Затем автор сравнил полученные результаты с поведением наиболее популярной модели вращающейся чёрной дыры, известной как чёрная дыра Керра.
Как уточняет издание ScienceAlert, выяснилось, что при медленном вращении горловину червоточины невозможно отличить от чёрной дыры. Однако, если объект крутится быстрее, форма тени позволяет сказать, чёрная дыра перед нами или всё-таки горловина червоточины. Важно, что такие скорости не являются запредельно высокими и вполне могут наблюдаться в реальности.
"Полученные здесь результаты показывают, что червоточины, которые рассматриваются в данной работе и имеют разумную скорость вращения вокруг своей оси, благодаря наблюдениям их теней можно отличить от чёрных дыр", – пишет Шейх в аннотации к своей статье.
Трудность состоит в том, что на сегодняшний день тени ни от чёрных дыр, ни от горловин кротовых нор ещё ни разу не наблюдались. Причина в том, что для этого требуется очень высокое разрешение (способность различать мелкие детали). Однако система радиотелескопов EHT, предназначенная для того, чтобы непосредственно "разглядеть" горизонт событий чёрной дыры, предположительно обладает нужными параметрами и уже провела первые наблюдения.
Ученые Университета Джона Хопкинса предложили гипотезу о существовании особого типа космических объектов, которые невидимы и искривляют свет подобно черным дырам, однако при этом не обладают классическим горизонтом событий. Об открытии сообщается в статье, опубликованной в журнале Physical Review D.
Исследователи воспользовались теорией струн, чтобы провести теоретический поиск объектов, которые могли бы воспроизводить те же самые гравитационные эффекты, что и черные дыры. Они обнаружили, что этому условию соответствуют топологические солитоны, которые представляют собой необычный тип деформации пространства и времени с участием дополнительных компактных измерений.
Компьютерное моделирование показало, что топологические солитоны, в отличие от обычных черных дыр, испускают слабые световые лучи, которые в ином случае не смогли бы избежать гравитации настоящей черной дыры. Фотоны двигаются по многочисленным кривым траекториям, в результате чего тень ложной черной дыры выглядит размытой. У обычной черной дыры такая тень определяет границы горизонта событий – области, из которой свет не может вырваться.
Топологические солитоны являются результатом проделанной в 2021 году модификации общей теории относительности Эйнштейна с помощью некоторых выводов из теории струн. Они представляют собой пример экзотических объектов в рамках квантовой гравитации, которая пытается согласовать квантовую механику и эффекты теории относительности. Однако даже без использования теории струн возможно существование и других гипотетических объектов, которые являются альтернативами черных дыр, – например, бозонные звезды и гравастары.
Из книги Тихомирова А.Е. Structural levels and systemic organization of matter. "ЛитРес", Москва, 2023, P. 1 (перевод с ангийского): «Физики-теоретики из Университета Радбауда в Неймегене провели исследование, проверив правоту теории Стивена Хокинга о черных дырах. Полученные результаты подтвердили ее частично, а также позволили выдвинуть предположение о том, что все во Вселенной постепенно испаряется. Новое теоретическое исследование провели физики Майкл Вондрак, Уолтер ван Суйлек и Хейно Фальке. Они проверяли теорию знаменитого физика-теоретика Стивена Хокинга о черных дырах и выяснили, что он во многом, но не во всем, был прав. В свое время Хокинг, используя комбинацию квантовой физики и теории гравитации Эйнштейна, утверждал, что спонтанное рождение и аннигиляция пар частиц должны происходить вблизи горизонта событий. Так называется "точка невозврата", то есть невидимая черта, за которой для любых объектов, даже самых мельчайших, уже нет спасения от гравитационной силы черной дыры.
Частица и ее античастица рождаются из квантового поля на очень короткое время, после чего тут же аннигилируют. Но иногда все-таки происходит так, что одна частица падает в черную дыру, а другая из нее вылетает. Этот феномен получил название излучение Хокинга. По мнению самого Хокинга, подобный процесс в конечном итоге должен приводить к испарению черной дыры.
