Черные дыры могут умереть не так, как ученые думали ранее

Новое исследование, основанное на теории струн, предполагает возможную и столь же странную судьбу испаряющихся черных дыр. Ситуация в современной науке сейчас такова, что мы до сих пор точно не знаем, что происходит, когда черные дыры умирают. 

С тех пор, как Стивен Хокинг обнаружил, что черные дыры испаряются, мы знали, что они потенциально могут исчезнуть из нашей Вселенной. Но нашего понимания гравитации и квантовой механики недостаточно, чтобы описать последние моменты жизни черной дыры. 

Теперь новое исследование, основанное на теории струн, предполагает возможную и столь же странную судьбу испаряющихся черных дыр: самородок остатка, к которому мы в принципе могли бы получить доступ, или сингулярность, не окутанная горизонтом событий. 

Важность излучения Хокинга 

Черные дыры, строго говоря, не полностью черные. В чистой общей теории относительности, без каких-либо других модификаций или соображений другой физики, они остаются черными навечно. Однажды сформировавшись, объект просто будет висеть там, став черной дырой, навсегда. 

Но в 1970-х Хокинг использовал язык квантовой механики, чтобы исследовать, что происходит вблизи границы черной дыры, известной как горизонт событий. Он неожиданно обнаружил, что странное взаимодействие между квантовыми полями нашей Вселенной и односторонним барьером горизонта событий открывает путь для выхода энергии из черной дыры. Эта энергия принимает форму медленного, но постоянного потока излучения и частиц, которые стали называть излучением Хокинга. С каждой частицей энергии, которая ускользает, черная дыра теряет массу и, таким образом, сжимается, в конечном итоге полностью исчезая. 

Однако "появление" в современной науке излучения Хокинга создало так называемый информационный парадокс черной дыры. Вся информация, описывающая вещество, падающее в черную дыру, пересекает горизонт событий и никогда больше не появляется. Но само излучение Хокинга не несет с собой никакой информации, и тем не менее черная дыра в конце концов исчезает. Так куда делась вся информация? 

Выйти за пределы Эйнштейна 

Информационный парадокс черной дыры — это гигантский мигающий неоновый знак для физиков о том, что мы чего-то не понимаем. Возможно, мы не понимаем природу квантовой информации, природу гравитации или природу горизонтов событий — или все три вместе. 

«Самый простой» подход к решению информационного парадокса черной дыры — разработать новую теорию гравитации, выходящую за рамки общей теории относительности Эйнштейна. В конце концов, мы уже знаем, что общая теория относительности не работает в центрах черных дыр, которые представляют собой крошечные проколы в пространстве-времени, известные как сингулярности, где плотность стремится к бесконечности. Единственный способ правильно описать сингулярность — использовать квантовую теорию гравитации, которая правильно предсказывает, как сильная гравитация ведет себя в чрезвычайно малых масштабах. 

К сожалению, в настоящее время у нас нет теории квантовой гравитации. Было бы неплохо смотреть на сингулярности напрямую, но, насколько мы понимаем через общую теорию относительности, все сингулярности заперты за горизонтом событий, что делает их недосягаемыми для нас. Но, изучая процесс излучения Хокинга, мы, возможно, сможем найти короткий путь, чтобы приблизиться к сингулярности и понять сумасшедшую физику, которая там происходит. 

По мере того как черные дыры испаряются, они становятся все меньше и меньше, а их горизонты событий неудобно приближаются к центральным сингулярностям. В последние моменты жизни черных дыр гравитация становится слишком сильной, а черные дыры становятся слишком маленькими, чтобы мы могли правильно описать их с помощью наших нынешних знаний. 

Итак, если мы сможем разработать лучшую теорию гравитации, мы сможем использовать последние моменты излучения Хокинга, чтобы проверить, как ведет себя теория. Есть много кандидатов на квантовую теорию гравитации, из которых наиболее развита теория струн. Несмотря на то, что нет известных решений теории струн, можно взять то, что мы знаем об общих чертах теории, и использовать их для создания модифицированных версий общей теории относительности. 

Голые сингулярности 

Эти модифицированные теории не являются «полной» правильной заменой общей теории относительности, но они позволяют нам исследовать, как может вести себя гравитация по мере того, как она все ближе и ближе приближается к квантовому пределу. 

Недавно группа теоретиков использовала одну из таких теорий, известную как гравитация дилатона Эйнштейна-Гаусса-Бонне (Einstein dilaton – Gauss – Bonnet, EdGB), для исследования конечных состояний испаряющихся черных дыр. 

Они подробно описали свою работу в статье, размещенной в базе данных препринтов arXiv в мае 2022 года. 

Детали результатов команды немного размыты. Это связано с тем, что модифицированная общая теория относительности не так хорошо понята, как обычная общая теория относительности, и решение сложной математики требует множества приближений и множества догадок. Тем не менее исследователи смогли нарисовать общую картину происходящего. Одной из ключевых особенностей гравитации дилатона Эйнштейна-Гаусса-Бонне является то, что черные дыры имеют минимальную массу, поэтому теоретики смогли изучить, что происходит, когда испаряющаяся черная дыра начинает достигать этой минимальной массы. 

В некоторых случаях, в зависимости от точной природы теории и эволюции черной дыры, процесс испарения оставляет после себя микроскопический самородок. У этого самородка не было бы горизонта событий, так что, в принципе, вы могли бы подлететь к нему на своем космическом корабле и подобрать его. Хотя самородок был бы крайне экзотическим, он, по крайней мере, сохранил бы всю информацию, которая попала в первоначальную черную дыру, тем самым разрешив парадокс. Другая возможность состоит в том, что черная дыра достигает своей минимальной массы и теряет свой горизонт событий, но все еще сохраняет сингулярность. Эти «голые сингулярности» кажутся запрещенными в обычной общей теории относительности, но если бы они существовали, то были бы прямым окном в царство квантовой гравитации. 

До сих пор неясно, представляет ли гравитация дилатона Эйнштейна-Гаусса-Бонне действительный путь к квантовой гравитации. Но результаты, подобные этому, помогают физикам пролить свет на один из самых сложных сценариев во Вселенной и, возможно, подскажут, как их решить.

Ранее сообщалось о том, что Телескоп Горизонта Событий впервые подробно заснял сверхмассивную черную дыру в центре нашего Млечного Пути.