Квантова гравітація може нарешті розгадати таємницю чорної діри

Вчені знайшли спосіб створювати чорні діри без таємничих сингулярностей, де фізика руйнується. Використовуючи чисту гравітацію, а не екзотичну матерію, їхня нова модель кидає виклик попереднім теоріям і наближає нас до розуміння справжньої природи простору-часу. Цей прорив не тільки спрощує умови для утворення чорних дір , але й узгоджується з фундаментальними законами термодинаміки. Дослідження відкриває двері для нових астрофізичних застосувань і, зрештою, може виявити, як Всесвіт запобігає утворенню сингулярностей.

Чорні діри без сингулярностей

Вважається, що чорні діри, як описано в теорії загальної відносності Альберта Ейнштейна, містять сингулярності — точки, де закони фізики більше не діють. Розуміння того, як ці сингулярності можуть бути вирішені в рамках квантової гравітації, залишається однією з найбільших проблем у теоретичній фізиці. Тепер дослідники з Інституту космічних наук Університету Барселони (ICCUB) зробили новаторське відкриття. Вони вперше продемонстрували, що чорні діри можуть утворюватися виключно завдяки гравітаційним ефектам, не вимагаючи екзотичної матерії — інгредієнта, від якого залежали деякі попередні моделі.

Опублікований у Physics Letters B, цей висновок відкриває нове розуміння квантової природи гравітації та може змінити наше розуміння справжньої структури простору-часу.

Екзотика більше не потрібна

Термін екзотична матерія стосується типу матерії, яка має незвичайні властивості, яких немає у звичайній матерії. Він часто має від’ємну щільність енергії, створює гравітаційні ефекти відштовхування та може порушувати певні енергетичні умови в загальній теорії відносності. Екзотична матерія є здебільшого теоретичною і не спостерігалася в природі, але використовується в моделях для дослідження таких концепцій, як червоточини, подорожі швидше за світло та роздільна здатність сингулярностей чорних дір.

Нове дослідження математично демонструє, що нескінченна серія гравітаційних поправок вищого порядку може усунути ці сингулярності та призвести до так званих регулярних чорних дір.

Чиста гравітація та звичайні чорні діри

На відміну від попередніх моделей, які вимагали екзотичної матерії, це нове дослідження показує, що чиста гравітація — без додаткових полів матерії — може генерувати регулярні чорні діри без сингулярностей. Це відкриття являє собою значний відхід від попередніх теорій і спрощує умови, необхідні для регулярних чорних дір.

«Краса нашої конструкції полягає в тому, що вона заснована лише на модифікаціях рівнянь Ейнштейна, природним чином передбачених квантовою гравітацією. Ніяких інших компонентів не потрібно», — каже дослідник Пабло А. Кано з кафедри квантової фізики та астрофізики фізичного факультету та ICCUB.

Теорії, розроблені командою ICCUB, застосовні до будь-якого виміру простору-часу, що перевищує або дорівнює п’яти. «Причина розгляду вищих розмірностей простору-часу є чисто технічною, — каже Кано, — оскільки це дозволяє нам зменшити математичну складність проблеми». Однак дослідники кажуть, що «ті самі висновки мають стосуватися нашого чотиривимірного простору-часу».

Розкриття таємниці сингулярностей

«Більшість вчених погоджуються з тим, що сингулярності загальної теорії відносності повинні бути остаточно вирішені, хоча ми дуже мало знаємо про те, як цей процес може бути досягнутий. Наша робота надає перший механізм для досягнення цього надійним способом, хоча й за певних припущень про симетрію», — пояснює Робі Хеннігар (UB та ICCUB). «Поки не ясно, як природа перешкоджає утворенню сингулярностей у Всесвіті, але ми сподіваємося, що наша модель допоможе нам краще зрозуміти цей процес», — говорить експерт.

Термодинаміка та астрофізика

Дослідження також вивчає термодинамічні властивості цих регулярних чорних дір і показує, що вони відповідають першому закону термодинаміки. Розроблені теорії забезпечують надійну основу для розуміння термодинаміки чорних дір абсолютно універсальним і однозначним способом. Ця послідовність додає довіри та потенційної застосовності до висновків. Дослідники планують поширити свою роботу на чотиривимірний простір-час і дослідити наслідки своїх висновків у різних астрофізичних сценаріях. Вони також прагнуть дослідити стабільність і можливі сигнатури спостережень цих регулярних чорних дір.

«Ці теорії не тільки передбачають чорні діри без сингулярності, але також дозволяють нам зрозуміти, як ці об’єкти утворюються і яка доля матерії, яка потрапляє в чорну діру. Ми вже працюємо над цими питаннями та очікуємо отримати справді захоплюючі результати», — підсумовує Кано.