«Волосатые» черные дыры: новые горизонты астрофизики

Загадочные черные дыры, эти космические монстры, поглощающие все, что попадает в их гравитационные объятия, уже давно волнуют умы ученых. Одним из самых интригующих вопросов является судьба барионного числа — фундаментальной характеристики материи — после того, как оно оказывается внутри черной дыры. Классическая теория относительности утверждает, что черные дыры характеризуются лишь массой, зарядом и угловым моментом, не сохраняя информацию о других квантовых числах, таких как барионное число. Эта концепция получила название «Гипотеза об отсутствии волос».

Однако последние исследования указывают на существование черных дыр с так называемыми «волосами», которые могут нести информацию о барионном заряде.

Скирмионные черные дыры: портал в мир сохраненного барионного числа

В центре внимания оказываются скирмионные черные дыры. Скирмионы — это солитонные конфигурации пионного поля, которые в рамках низкоэнергетической эффективной теории КХД соответствуют барионам — частицам, состоящим из кварков. Уникальность скирмионных черных дыр заключается в том, что горизонт событий, точка невозврата для падающей материи, находится внутри самого скирмиона.

Это означает, что с точки зрения внешнего наблюдателя скирмион не полностью поглощается черной дырой и образует своего рода «волосяной покров».

Разоблачение мифов: барионный заряд может быть сохранен

Гипотеза об отсутствии волос утверждает, что барионный заряд, попавший в черную дыру, исчезает. Предполагается, что черная дыра испаряется за счет излучения Хокинга до планковских размеров, не имея возможности вернуть проглоченный барионный заряд.

Однако существование скирмионных черных дыр ставит под сомнение этот вывод.

Ученые утверждают, что нет принципиальных препятствий для того, чтобы черная дыра, поглотившая барионный заряд, прошла через фазовый переход при макроскопическом размере, в ходе которого барионный заряд вновь проявится в виде классического скирмионного «волоса».

Важно отметить, что этот критический размер, L, определяется барионным зарядом самой черной дыры и не является фиксированной микроскопической шкалой квантовой гравитации, как в случае гипотезы об отсутствии волос.

Таким образом, кажущаяся неизбежной несовместимость сохранения барионного заряда с полуклассической физикой черных дыр устраняется благодаря существованию «волос». Бремя доказательства нарушения глобальных симметрий ложится на плечи более фундаментальной теории квантовой гравитации.

Эксперимент, подтверждающий теорию: наблюдение за барионным зарядом

Представим мысленный эксперимент, в котором мы можем наблюдать за барионным зарядом черной дыры.

Для этого введем калибровочное поле, взаимодействующее с барионным током, с бесконечно малой константой связи. Это позволит внешнему наблюдателю отслеживать барионный заряд с помощью классического измерения электрического поля, создаваемого этим полем, независимо от размера черной дыры.

Когда горизонт событий черной дыры становится сравним с размером скирмиона/бариона, L, у нас есть две возможности.

Первая — черная дыра продолжает испаряться, оставляя после себя классическое скирмионное поле. Скирмион/барион «воскресает», а черная дыра сжимается до планковских размеров внутри него. Вторая — черная дыра стабилизируется, достигнув некоего экстремального состояния, поддерживаемого скирмионным зарядом.

В обоих случаях скирмионный «волос» проявляется при макроскопическом масштабе L, что исключает противоречие с сохранением барионного числа.

Наблюдаемые последствия: отпечатки скирмионных волос

Сохранение барионного числа черными дырами может иметь важные наблюдаемые последствия. Скирмионные «волосы» влияют на взаимодействие черной дыры с окружающим пространством, изменяя ее гравитационное поле.

Например, это может изменить характер рассеяния света на черной дыре.

Сравнивая сечения рассеяния скалярного поля на скирмионной черной дыре и на черной дыре Шварцшильда с той же массой, ученые обнаружили существенные различия, проявляющиеся в смещении характерных пиков в сечениях рассеяния.

Этот эффект обусловлен тем, что «волосы» изменяют геометрию пространства-времени вблизи горизонта событий черной дыры.

Взгляд в будущее: квантовые волосы и новые горизонты исследований

Результаты указывают на возможность существования квантовых волос, несущих информацию о барионном заряде черной дыры.

Восстановление информации о барионном заряде, закодированной в квантовых волосах, может потребовать глубокого понимания микроскопической теории черных дыр.

Тем не менее, уже на полуклассическом уровне ученые находят доказательства сохранения барионного числа.

Открытие «волосатых» черных дыр, хранящих информацию о барионном заряде, открывает новые горизонты для астрофизических исследований.

Возможно, в будущем мы сможем не только наблюдать «прически» черных дыр, но и расшифровать информацию, которую они несут.

В статье утверждается, что скирмионные волосы появляются, когда горизонт событий черной дыры становится меньше размера скирмиона. Но ведь горизонт событий — это граница, из-под которой ничто не может вырваться. Как же тогда скирмион может «вырасти» наружу?

Это кажущееся противоречие. Важно понимать, что скирмион не «прорывается» сквозь горизонт событий. Когда черная дыра сжимается до размера, меньшего чем скирмион, сам скирмион перестает полностью находиться под горизонтом событий. Его внешняя часть оказывается «снаружи» и может взаимодействовать с окружающим пространством. В этом смысле он и формирует «волосы» черной дыры.

Авторы статьи используют калибровочное поле для отслеживания барионного заряда. Не нарушает ли это принцип эквивалентности, ведь гравитационное поле не должно «чувствовать» калибровочные заряды?

В статье подчеркивается, что калибровочное поле используется как «наблюдатель», с бесконечно малой константой связи. Это означает, что оно не оказывает никакого существенного влияния на гравитационное поле черной дыры. Его единственная роль — сделать барионный заряд «видимым» для внешнего наблюдателя. Таким образом, принцип эквивалентности не нарушается.

Если черные дыры могут сохранять барионный заряд, значит ли это, что они могут «выплевывать» барионы обратно? Может ли это происходить в реальных астрофизических условиях?

В статье не утверждается, что черные дыры «выплевывают» барионы в прямом смысле. Скирмионный волос — это не поток вылетающих барионов, а скорее статичная структура, окружающая черную дыру.

Вопрос о том, как именно барионный заряд может быть «возвращен» во Вселенную, остается открытым. Возможно, это происходит в процессе полного испарения черной дыры, либо при взаимодействии с другими объектами.

Исследование этих процессов — задача для будущих исследований.