«Поддельные» черные дыры во Вселенной искажают пространство-время аналогичным образом
Существование черных дыр сегодня не вызывает сомнений у научного сообщества. Однако остается вопрос: могут ли существовать другие космические объекты, которые обладают эффектами, похожими на черные дыры, но сами по себе черными дырами не являются? Исследователи недавно смоделировали странный космический объект, описанный теорией струн, который можно принять за обычную черную дыру. Если такие объекты существуют, они могут помочь разрешить давний парадокс об этих космических монстрах, объединив общую относительность и квантовую физику.
Обнаружение гравитационных волн в 2015 году стало революцией в астрофизике, подтвердив существование черных дыр. Эти гравитационные волны, или "рябь" в пространстве-времени, являются результатом одних из самых бурных и энергичных событий во Вселенной. Впервые они были теоретически обоснованы Альбертом Эйнштейном в 1916 году в рамках общей теории относительности.
Эти волны перемещаются в пространстве-времени, распространяясь во всех направлениях от своего источника со скоростью света. По пути они несут с собой ценную информацию о своем происхождении, а также подсказки о природе гравитации.
Однако у нас нет конкретного способа проверить, действительно ли наши наблюдения относятся к черным дырам. Хотя их существование предсказывается теорией Эйнштейна, сингулярность в их центре представляет собой проблематичное понятие, требующее замены его чем-то менее радикальным, чем точка бесконечной плотности.
Увлеченные этими открытиями, специалисты из Университета Джонса-Хопкинса исследовали возможность того, что другие объекты могут генерировать гравитационные эффекты, аналогичные черным дырам. Они использовали теорию струн, которая пытается объединить квантовую механику и общую теорию относительности, для моделирования объекта, отклоняющего свет подобно черной дыре: топологического солитона. Если этот объект действительно существует, то он может быть новым типом звезды. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале .
Новые симуляции реалистично иллюстрируют объект, который команда Джона Хопкинса называет топологическим солитоном. Издалека он выглядит как размытое изображение черной дыры, но вблизи обнаруживает совершенно иную природу.
Следует отметить, что в теории струн топологические солитоны являются своего рода гравитационными узлами в четырехмерном пространстве-времени, где частицы, составляющие Вселенную, на самом деле состоят из крошечных вибрирующих струн. Этот объект остается гипотетическим и по сей день. Однако тот факт, что команда смогла смоделировать его с помощью математических уравнений и показать его внешний вид с помощью симуляций, говорит о потенциальном существовании других типов небесных тел, которые остаются скрытыми от глаз лучших телескопов на Земле.
Результаты также показывают, как топологический солитон искажает пространство, подобно черной дыре, но при этом взаимодействует со светом противоположным образом, чем черная дыра, испуская слабые световые лучи.
Космическая игра света
Важно помнить, что гравитационное поле черной дыры настолько интенсивно, что свет может вращаться вокруг нее на определенном расстоянии от центра, подобно тому, как Земля вращается вокруг Солнца. Это расстояние определяет "поверхность" черной дыры, известную как горизонт событий. Это граница, где скорость, необходимая для побега, превышает скорость света, которая является пределом скорости во Вселенной. Как только эта граница пересечена, материя и излучение поглощаются черной дырой, и пути назад нет.
Команда Джонса-Хопкинса использовала теорию струн, чтобы сравнить черные дыры с солитоном. Они смоделировали несколько сценариев, используя изображения космического пространства, как если бы они были сняты камерой, расположив перед объективом черную дыру и топологический солитон.
Следует отметить, что они основывались на предыдущей работе команды по построению топологических солитонов с использованием общей теории относительности Эйнштейна. В результате были получены искаженные изображения из-за гравитационного воздействия этих массивных тел. Топологические солитоны удивительно похожи на черные дыры по видимым размерам и свойствам рассеяния, при этом они гладкие и безгоризонтные.
Пьер Хайдман, физик из Университета Джонса-Хопкинса, возглавлявший исследование, объясняет в своем заявлении: "Свет сильно искривляется, но вместо того, чтобы поглощаться, как это было бы в черной дыре, он рассеивается во впечатляющих движениях, пока в какой-то момент не возвращается хаотично. Здесь нет темного пятна, просто много размытости, что означает, что свет хаотично вращается по орбите этого странного объекта".
Ученые уже разработали модели бозонных звезд, гравитационных звезд и других гипотетических объектов, которые могут оказывать гравитационное воздействие, подобное воздействию черных дыр. Топологический солитон - первый объект, основанный на теории струн, который демонстрирует поведение, подобное черной дыре, демонстрируя, что квантовые гравитационные объекты могут быть использованы для описания физики реального мира, примиряя две теории, которые десятилетиями ставили под сомнение исследователей.
Хайдман отмечает: "Это первые симуляции астрофизически значимых объектов теории струн, поскольку мы можем фактически охарактеризовать различия между топологическим солитоном и черной дырой, как если бы наблюдатель увидел их в небе".
Хотя солитоны не являются предсказаниями новых объектов, в настоящее время они представляют собой лучшие модели того, как могут выглядеть новые квантовые гравитационные объекты по сравнению с черными дырами. Бах, соавтор исследования, заключает: "Это начало замечательной исследовательской программы. В будущем мы надеемся, что сможем предложить действительно новые типы ультракомпактных звезд, состоящих из новых типов материи с помощью квантовой гравитации".