Что происходит в центре чёрной дыры?

0
12


Чёрная дыра в представлении художника. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center.

Сингулярность в центре чёрной дыры – это область, где материя сжимается до бесконечно крошечной точки, а все представления о времени и пространстве полностью рушатся. И, вообще, сингулярности на самом деле не существует. Что-то должно заменить сингулярность, но мы не совсем уверены в том, что же это может быть.

Давайте рассмотрим некоторые варианты.

Звезды Планка

Возможно, глубоко внутри чёрной дыры материя не сжимается до бесконечно крошечной точки. Вместо этого там может существовать наименьший из возможных конфигураций объект (наименьшее возможное объёмное тело).

И такой объект получил название звезда Планка. Этот теоретический объект был предложен в рамках теории петлевой квантовой гравитации, которая сама по себе является весьма гипотетической идеей, пытающейся объяснить квантовую природу гравитации. В мире петлевой квантовой гравитации пространство и время квантуются – Вселенная вокруг нас состоит из крошечных дискретных частей, но в таком невероятно крошечном масштабе, что наши движения кажутся плавными и непрерывными.

Эта теоретическая фрагментарность пространства-времени даёт нам два преимущества. Во-первых, она доводит идею о квантовой механике до её окончательного заключения, объясняя гравитацию естественным образом. Во-вторых, она делает невозможным образование сингулярностей внутри чёрных дыр.


Иллюстрация, показывающая эволюцию Вселенной, начиная от Большого Взрыва слева, и до появления космического микроволнового фона. После образования первых звёзд заканчиваются космические тёмные века, за которыми следует образование галактик. Авторы и права: CfA / M. Weiss.

Когда материя сжимается под огромным гравитационным весом коллапсирующей звезды, она встречает сопротивление. Дискретность пространства-времени не позволяет материи достичь чего-либо меньшего, чем длина Планка (примерно 1,68^10-35 метров, так что … это действительно крохотный объект). Весь материал, который когда-либо попадал в чёрную дыру, сжимается в шар, диаметр которого не намного больше, чем значение длины Планка. Совершенно микроскопический, но определённо не бесконечно маленький.

Сопротивление продолжающемуся сжатию в конечном итоге не даёт материалу схлопнуться и создать чёрную дыру. К тому же из-за экстремальных эффектов замедления времени вокруг чёрных дыр, с нашей точки зрения, во внешней Вселенной, этот процесс растягивается на миллиарды или даже триллионы лет.

Гравастары

Ещё одна попытка заменить сингулярность – та, которая не опирается на непроверенные теории квантовой гравитации – известна как гравастар. Это настолько теоретическая концепция, что моя программа проверки орфографии даже не распознала это слово.

Разница между чёрной дырой и гравастаром заключается в том, что вместо сингулярности гравастар заполнен тёмной энергией. Тёмная энергия – это вещество, которое пронизывает пространство-время, заставляя его расширяться. Это звучит как научная фантастика, но это реально: тёмная энергия в настоящее время заставляет всю нашу Вселенную расширятся с ускорением.


Тёмная энергия, нормальная и тёмная материя. Авторы и права: NASA.

Когда материя падает на гравастар, она фактически не может проникнуть за горизонт событий (из-за всей этой тёмной энергии внутри) и поэтому просто висит на поверхности. Но за пределами этой поверхности гравастары выглядят и действуют как обычные чёрные дыры.

Однако недавние наблюдения слияния чёрных дыр, проведённые с использованием детекторов гравитационных волн, потенциально исключили существование гравастаров, поскольку слияние гравастаров будет давать другой сигнал, нежели тот, который наблюдался при слиянии чёрных дыр, а такие устройства, как LIGO и Virgo, с каждым днём ​​находят всё больше и больше примеров этих слияний. Хотя гравастары не являются чем-то запретным для нашей Вселенной, они определённо находятся на тонком льду.

Что насчёт вращения?

Звезды Планка и гравастары могут иметь удивительные имена, но реальность их существования вызывает сомнения. Так что, возможно, есть более приземлённое объяснение сингулярностей, основанное на более тонком и реалистичном взгляде на чёрные дыры в нашей Вселенной.

Идея единой точки бесконечной плотности исходит из нашей концепции неподвижных, невращающихся, незаряженных, довольно скучных чёрных дыр. Настоящие чёрные дыры – гораздо более интересные персонажи, особенно когда они вращаются.


В качестве одного из возможных способов путешествовать во времени, исследователями были предложены червоточины. Авторы и права: Shutterstock.

Вращение чёрной дыры вытягивает сингулярность в кольцо. И согласно общей теории относительности Эйнштейна, как только вы проходите через кольцевую сингулярность, вы попадаете в червоточину и вылетаете через белую дыру (полярная противоположность чёрной дыры , куда ничего не может проникнуть, но откуда выбрасывается материя со скоростью света) в совершенно новую и захватывающую область Вселенной.

Однако, тут существует одна проблема: внутренности вращающихся чёрных дыр катастрофически нестабильны.

Проблема с вращающимися чёрными дырами заключается в том, что … ну, они вращаются. Сингулярность, растянутая в кольцо, вращается с такой фантастической скоростью, что обладает невероятной центробежной силой. А в общей теории относительности достаточно сильные центробежные силы действуют как антигравитация: они не тянут, а толкают.


Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.

Это создаёт границу внутри чёрной дыры, называемую внутренним горизонтом. За пределами этой области излучение падает внутрь к сингулярности, что объясняется сильным гравитационным притяжением. Однако, затем излучение выталкивается антигравитацией, возникшей вблизи кольцевой сингулярности, и поворотной точкой является внутренний горизонт. Если бы вы смогли увидеть внутренний горизонт, то вы бы столкнулись со стеной бесконечно мощного излучения – накопившегося там за всю историю Вселенной и выброшенного вам в лицо менее чем за мгновение ока.

Формирование внутреннего горизонта разрушит чёрную дыру. Но вращающиеся чёрные дыры, безусловно, существуют в нашей Вселенной, так что это говорит нам о том, что наши теории неверны.

Что на самом деле происходит внутри чёрной дыры? Мы не знаем – и самое страшное в том, что мы никогда не узнаем.



Источник

Добавить комментарий