Учени предлагат край на притеснителната сингулярност на черните дупки

Ново изследване поставя под въпрос един от най-объркващите аспекти на черните дупки - загадъчната сингулярност в центъра им, където физиката сякаш се разпада. В съвместна статия, публикувана в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), се разглеждат алтернативни модели, които могат да променят представата ни за тези космически гиганти.

Черните дупки очароват и объркват учените, откакто през 1916 г. Карл Шварцшилд за първи път извежда съществуването им от уравненията на Айнщайн. Макар че последните наблюдения потвърждават съществуването на тези екстремни обекти, тревожната математическа прогноза за точка с безкрайна плътност в центъра им остава научно неудовлетворителна.

"Hic sunt leones", отбелязва Стефано Либерати (Stefano Liberati), един от авторите на статията и директор на Института по фундаментална физика на Вселената, позовавайки се на хипотетичната сингулярност, предсказана в центъра на стандартните черни дупки. Тази латинска фраза, използвана в миналото на картите за обозначаване на неизследвани територии, подходящо описва сегашните ни познания за центровете на черните дупки - региони, в които законите на физиката като че ли се провалят.Традиционни и несингулярни алтернативни черни дупки. Вляво: стандартна черна дупка със затворена област (тъмносиво), с външна граница, съответстваща на хоризонт на събитията и съдържаща пространствено-времева сингулярност (централна точка). Стандартните черни дупки обикновено имат външен светлинен пръстен. В центъра: обикновена черна дупка със затворена област (тъмносиво), чиято външна граница е външен хоризонт (който може или не може да се превърне в хоризонт на събитията в безкрайно време), а вътрешната граница е вътрешен хоризонт, който обхваща несингулярно ядро ​​(светлосиво) или, алтернативно, пространственоподобно гърло на червеева дупка. Обикновените черни дупки обикновено имат външен светлинен пръстен. Вдясно: имитатор на черна дупка, който няма затворена област, но може да бъде достатъчно компактен, така че вътрешността му да имитира свойствата на затворена област. Имитаторите на черни дупки обикновено имат външни и вътрешни светлинни пръстени. Кредит: https://arxiv.org/html/2501.05505v1 

Проблемът със сингулярността продължава да съществува въпреки забележителния напредък на наблюденията. Откриването на гравитационни вълни от сливащи се черни дупки през 2015 г. и изумителните изображения, заснети от телескопа Event Horizon през 2019 г. и 2022 г., потвърждават съществуването на черни дупки, но не дават представа за най-вътрешната им структура.

Според Либерати тази празнина в знанията е "неприемлива ситуация за науката". Именно затова изследователите отдавна търсят алтернативни модели, в които квантовите ефекти биха могли да "излекуват" сингулярността.

Това, което прави новата статия особено ценна, е нейният подход на сътрудничество. Вместо да идва от един изследователски екип, тя синтезира дискусиите между водещи експерти, които се събират на специален семинар на IFPU.

"Това е нещо повече", обяснява Либерати. "Той възниква в резултат на набор от дискусии сред водещи експерти в областта - теоретици и феноменолози, младши и старши изследователи - всички събрани по време на специален семинар на IFPU."

Документът очертава три основни модела на черни дупки:

1. Стандартни черни дупки (както със сингулярност, така и с хоризонт на събитията)
2. Обикновени черни дупки (с хоризонт на събитията, но без сингулярност)
3. Имитатори на черни дупки (нито със сингулярност, нито с хоризонт на събитията)

Последните две алтернативи предлагат потенциален път напред, който запазва съгласуваността с уравненията на Айнщайн, като избягва проблемната точка на безкрайна плътност. В статията се изследва как биха могли да се формират тези алтернативни структури и, което е от решаващо значение, как учените биха могли да ги разграничат наблюдателно от стандартните черни дупки.

Стандартните черни дупки имат безкраен гравитационен кладенец (диаграма вляво), докато както обикновените черни дупки, така и имитаторите на черни дупки имат крайни гравитационни кладенци (съответно средната и дясната фигура), като разликата между двете е дълбочината на кладенеца. Общата характеристика на наличието на дълбоки гравитационни кладенци (доста под светлите пръстени) позволява на тези обекти да имат подобна феноменология. Заловените области са маркирани в тъмносиво, а светлите пръстени - в елипси. Кредит: https://arxiv.org/html/2501.05505v1  

Настоящите техники за наблюдение все още не са дали окончателни отговори за вътрешността на черните дупки.

Все пак Либерати остава оптимист:

"Обикновените черни дупки, и особено мимикриращите, никога не са напълно идентични със стандартните черни дупки - дори извън хоризонта. Така че наблюденията, които изследват тези региони, биха могли косвено да ни кажат нещо за вътрешната им структура."

Бъдещите изследвания биха могли да открият фини отклонения от прогнозите на Айнщайн с помощта на все по-усъвършенствани инструменти. Например изображенията с по-висока разделителна способност от телескопа Event Horizon Telescope биха могли да разкрият неочаквани детайли в светлината, огъната около тези обекти. Откриването на гравитационни вълни може да покаже аномалии, съответстващи на некласическа геометрия на пространство-времето.

Изследователският екип признава настоящите ограничения при прогнозирането на това какви точно смущения трябва да търсят наблюдателите. Въпреки това теоретичните познания и числените симулации напредват бързо, което може да насочи разработването на специализирани инструменти за наблюдение.

Този стремеж е от значение не само за физиката на черните дупки. Разрешаването на проблема със сингулярността може да допринесе за разработването на квантова теория на гравитацията - дълго търсеният мост между Общата теория на относителността и квантовата механика.

"Това, което предстои за изследванията на гравитацията", заключава Либерати, "е наистина вълнуващо време. Навлизаме в епоха, в която пред нас се открива огромен и неизследван пейзаж."

Справка: Towards a Non-singular Paradigm of Black Hole Physics; Raúl Carballo-Rubio, Francesco Di Filippo, Stefano Liberati, Matt Visser, Julio Arrechea et al; https://arxiv.org/html/2501.05505v1 

Източник: Solving the Black Hole Puzzle: Scientists Propose End to Troubling Singularities, 2025 SISSA

Още по темата

13/02/2025

Космос

Черни дупки може да се образуват без сингулярности, само чрез чиста гравитация

21/05/2024

Физика

Черните дупки не са това, което са. Ново изследване може да премахне сингулярността, която противоречи на физиката

13/12/2021

Физика

Квантов подход към проблема за сингулярността

07/12/2017

Физика

Физик смята, че "Големият взрив" никога не се е случвал и сингулярността е ненужна