Что, если чёрных дыр не существует? Астрофизики ищут способы уйти от сингулярности
Мы видели её изображение. Мы фиксировали гравитационные волны — рябь пространства-времени от слияния двух сверхмассивных объектов. Чёрные дыры, когда-то бывшие лишь гипотетическими моделями, благодаря современным технологиям стали наблюдаемыми объектами. Но действительно ли мы понимаем, что именно мы видим?
Тут современная астрофизика заходит в тупик. Да, объекты, которые мы называем чёрными дырами, существуют. Они подчиняются предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна с очень высокой точностью. Однако та же самая теория, описывая их внутреннее устройство, приводит нас к, как кажется, логически невозможному явлению — сингулярности.
Сингулярность: точка, где ломается физика
Разберем классическую модель чёрной дыры. Она состоит из двух главных элементов. Первый — это горизонт событий, невидимая граница, точка невозврата. Если её пересечь, гравитационное притяжение станет настолько сильным, что ничто, даже свет, не сможет выйти обратно.
Второй элемент — это то, что скрыто за горизонтом. Согласно уравнениям Эйнштейна, вся масса объекта, сжатая гравитацией, падает в одну точку с бесконечной плотностью и нулевым объёмом — это и есть сингулярность.
Можете себе такое представить? Действительно — в науке «бесконечность» почти всегда является звоночком, что теория неполна. Она не описывает настоящий физический объект, а скорее указывает на свои пределы.
Вариант первый: чёрная дыра, но без абсурда
Если сингулярность — это тупик, то логично найти способ его обойти, не разрушая всю идею чёрной дыры. Так родилась мысль о регулярных чёрных дырах.
Предположим, во Вселенной есть ещё одна, неизвестная нам сила. Она действует только в условиях очень большой плотности — таких, какие бывают внутри коллапсирующей звезды, и противостоит гравитации не давая материи сжаться в бесконечно малую точку. Вместо сингулярности в центральной части чёрной дыры появляется ядро из сверхплотного вещества, а горизонт событий при этом остаётся.
Как это проверить, если все изменения происходят за непроницаемым горизонтом событий? Ответ: нужно искать малые искажения, которые эта новая внутренняя структура создаёт в пространстве снаружи горизонта. И у астрономов есть два способа для такой проверки.
- Фотонное кольцо. Прямо у границы горизонта событий есть место, где гравитация так сильна, что может захватить свет на временную орбиту. Фотоны могут сделать несколько кругов вокруг чёрной дыры, прежде чем улететь. Вкупе они создают тонкое, яркое кольцо света. Общая теория относительности очень точно предсказывает размер и форму этого кольца, и даже маленькое отклонение от прогноза, будет прямым указанием на новую физику внутри. Телескоп Горизонта Событий (EHT) уже видел это кольцо, но пока его разрешение не позволяет заметить малые аномалии. Будущие проекты, например космический телескоп BHEX, могут дать нужную точность.
- Тень чёрной дыры. Чёрная дыра создаёт «тень» — тёмный силуэт на фоне яркого вещества вокруг неё. Её размер также строго определяется уравнениями Эйнштейна. Измерение этой тени с высокой точностью — ещё один способ проверить, есть ли отклонения от стандарта. Пока что наблюдения Стрельца А*, нашей сверхмассивной чёрной дыры, не смогли ни подтвердить, ни опровергнуть большинство моделей регулярных чёрных дыр. Точности современных технологий пока что не хватает.
Вариант второй: нет никакого горизонта событий
Есть и совершенно иной подход. Что, если проблема и в сингулярности, и в самом горизонте событий? Что, если его вообще нет? В этом случае мы говорим не об изменённой чёрной дыре, а о совсем другом классе объектов — «имитаторах» или «самозванцах».
Эти гипотетические объекты издалека выглядят и действуют почти как чёрные дыры. Они массивны, компактны и притягивают материю. Но вместо горизонта событий у них есть какая-то поверхность. Теоретики предложили несколько видов таких объектов:
- Гравастары — пузыри отталкивающей тёмной энергии, которые окружены тонкой оболочкой из обычной материи.
- Фаззболы — предсказанные теорией струн «клубки» из элементарных струн.
- Бозонные звёзды — огромные структуры из гипотетических частиц-бозонов.
Существенное отличие одно: у них есть поверхность. А если есть поверхность, должен быть и способ её найти. И этот способ — гравитационные волны.
Когда две обычные чёрные дыры сливаются, они излучают чистый, нарастающий сигнал, который детекторы LIGO записывают как «чирп». После слияния всё прекращается. Но если сливаются два объекта с поверхностями, картина должна быть другой. Гравитационные волны от слияния будут отражаться от этих поверхностей, создавая серию затухающих эхо-сигналов после основного чирпа.
Поиски таких эхо-сигналов уже идут, но пока без явных результатов. Были некоторые намёки, но большинство анализов показывают только шум. Возможно, сигнал очень слаб. Или же теоретические модели эха неверны, и мы ищем не тот сигнал.
Что в итоге?
Итак, учёные рассматривают три основных варианта, у каждого свои особенности, и что самое худшее — все они плодят сущности, которые на текущем этапе развития технологий мы не можем ни проверить ни объяснить.
Первый вариант — новая физика действует за горизонтом событий. Чтобы это проверить, нужны более точные телескопы, способные заметить малые отклонения от предсказаний теории Эйнштейна. Второй вариант — чёрные дыры на самом деле являются объектами без горизонта. Их можно было бы обнаружить, если найти эхо-сигналы в гравитационных волнах.
Третий вариант — никакой новой физики нет, и сингулярности реальны. Если это так, то возникает две большие проблемы. Во-первых, это означает, что информация о материи, упавшей в чёрную дыру, полностью уничтожается, а это противоречит одному из основных принципов современной физики. Во-вторых, это значит, что во Вселенной существуют места, где известные нам законы просто перестают работать, и мы не можем описать, что там происходит.