Учёные предположили что сингулярность чёрной дыры представляет собой трёхмерную поверхность

За горизонтом событий чёрной дыры скрывается одна из самых больших загадок современной физики. Эта граница отделяет область, из которой свет уже не может вырваться наружу, поэтому напрямую заглянуть внутрь чёрной дыры невозможно. Именно поэтому учёные вынуждены строить теоретические модели, чтобы понять, что происходит в её недрах.

На протяжении десятилетий в учебниках сингулярность внутри невращающейся чёрной дыры обычно описывали как точку нулевой размерности с бесконечной плотностью. Однако новая работа, принятая к публикации в журнале Physical Review D, показывает, что такое представление может быть слишком упрощённым. Теоретические физики Эндрю Дж. С. Хэмилтон из Университета Колорадо в Боулдере и Тайлер Макмейкен из Университета Мэри пришли к выводу, что сингулярность правильнее рассматривать как плоскую трёхмерную пространственную поверхность.

По словам Хэмилтона, чёрные дыры постоянно бросают вызов интуиции исследователей. Учёный признался, что такой результат оказался для него неожиданным, но при этом помог объяснить плоский вид сингулярности чёрной дыры Шварцшильда, который он наблюдал в своих моделях.

Согласно общей теории относительности, внутри чёрной дыры само пространство падает к сингулярности быстрее скорости света. Ещё в 1930-х годах физики представляли сингулярность в виде точки. Позднее, в 1960-х, выяснилось, что у вращающихся чёрных дыр Керра центробежное отталкивание изменяет картину падения, и сингулярность приобретает форму кольца. Однако для невращающихся чёрных дыр Шварцшильда точечная модель продолжала использоваться благодаря своей простоте и удобству.

Хэмилтон рассказал, что ещё много лет назад начал сомневаться в корректности такого описания. В 1998 году вопросы студентов вводного курса по астрономии подтолкнули его к созданию визуализаций падения в чёрную дыру на основе общей теории относительности. Результат оказался неожиданным: вместо точки моделирование показывало поверхность.

Как признаётся исследователь, тогда он лишь сообщил о своих наблюдениях, но не пытался их объяснить, поскольку сам не понимал их природу. По его словам, путь к осмыслению увиденного занял десятилетия.

Ключ к разгадке появился после анализа поведения двух наблюдателей, которые падают в одну и ту же чёрную дыру с противоположных направлений. Если сингулярность действительно представляет собой одну точку, оба наблюдателя должны в конечном итоге встретиться в одном месте пространства-времени.

Однако расчёты на основе общей теории относительности показывают, что это невозможно. По мере падения искривлённое пространство-время не позволяет свету или любым другим сигналам передаваться между наблюдателями. Они становятся причинно несвязанными, то есть уже не могут обмениваться информацией и никак не способны повлиять друг на друга или узнать о последних моментах существования другого.

Авторы работы утверждают, что если наблюдатели теряют возможность обмениваться информацией ещё до достижения сингулярности, то они не могут закончить своё движение в одном и том же событии пространства-времени. Это противоречие исчезает, если считать сингулярность не точкой, а трёхмерной пространственноподобной поверхностью, в разные области которой попадает каждый из наблюдателей.

Ещё в 2010 году Хэмилтон образно сформулировал эту идею, заявив, что сингулярность — это не точка, а трёхмерная пространственная граница, где общая теория относительности «совершает самоубийство», переставая работать.

Авторы подчёркивают, что их выводы касаются не только невращающихся чёрных дыр. Хотя кольцевые сингулярности чёрных дыр Керра традиционно считались принципиально отличающимися от сингулярностей Шварцшильда, новая модель предполагает, что реалистичная вращающаяся чёрная дыра также должна формировать пространственноподобную сингулярную поверхность у внутреннего горизонта. В этом случае её внутренняя структура оказывается гораздо ближе к невращающимся чёрным дырам, чем считалось ранее.

Если эта интерпретация верна, она способна существенно изменить фундаментальные представления о природе сингулярностей. Вместо математической точки область, где перестаёт работать общая теория относительности, становится поверхностью, а значит меняются исходные условия, на которых может строиться будущая теория квантовой гравитации.

Квантовая гравитация считается одной из главных нерешённых задач современной теоретической физики. Она должна объединить общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, успешно описывающую гравитацию в космических масштабах, и квантовую механику, объясняющую поведение материи на уровне атомов и элементарных частиц. По отдельности обе теории чрезвычайно успешны, однако в экстремальных условиях внутри чёрных дыр они оказываются математически несовместимыми.

Хэмилтон считает, что исследования сингулярностей дают возможность приблизиться к созданию такой объединяющей теории. По его словам, значительная часть современной литературы по квантовой гравитации остаётся слишком абстрактной и слабо связанной с реальными физическими объектами, поэтому учёные надеются, что дальнейшие исследования будут сосредоточены именно на тех областях Вселенной, где квантовая гравитация должна проявляться в действительности.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.