Нова теорія свідчить, що чорні діри підкоряються законам фізики

Команда вчених розробила «рецепт» чорних дір, який усуває одну з найбільш проблемних концепцій у фізиці: центральну сингулярність – точку, в якій руйнуються всі наші теорії, закони та моделі. Якби ви хотіли створити об’єкт, що зберігає таємничість і водночас є надзвичайно загадковим, вам було б важко перевершити чорну діру.

По-перше, зовнішня межа цих космічних гігантів — це односпрямована пастка для світла, яка називається горизонтом подій. Це точка, в якій гравітація чорної діри настільки сильна, що навіть світло не може вирватися. Це означає, що жодна інформація не може покинути межі чорної діри, і ми ніколи не зможемо безпосередньо спостерігати або виміряти, що знаходиться в її центрі.

Використовуючи математичні принципи загальної теорії відносності Ейнштейна, вчені можуть моделювати внутрішню частину чорної діри. Проблема в тому, що при цьому рівняння показують, що всі математичні величини стають нескінченними в «сингулярності» — центральній точці чорної діри.

Однак нове дослідження пропонує альтернативний підхід: можливість існування «звичайних чорних дір» без центральної сингулярності, що дозволяє фізикам обійти цю проблему.

Що таке сингулярність і чому вона проблематична?

Загальна теорія відносності Ейнштейна описує, що масивні об’єкти викривляють саму тканину простору-часу, створюючи гравітацію. Чим більша маса, тим сильніше викривлення і вплив гравітації. Це описується рівняннями, які лежать в основі загальної теорії відносності.

Вперше поняття чорних дір з’явилося у розв’язках рівнянь Ейнштейна, які німецький фізик Карл Шварцшильд запропонував ще у 1915 році. Вони передбачали, що в центрі чорної діри значення всіх фізичних величин прямують до нескінченності, створюючи сингулярність. Але нескінченності у фізиці – це погано, оскільки вони вказують на те, що модель або неповна, або неправильна.

«Інтер’єр чорної діри у загальній теорії відносності схожий на колапсуючий всесвіт, де сингулярність є моментом, коли сам простір руйнується», — пояснює один із дослідників.

Як можна уникнути сингулярності?

Багато фізиків вважають, що при надзвичайно сильній гравітації загальна теорія відносності повинна бути замінена більш фундаментальною теорією — так званою квантовою гравітацією. Але поки що такої теорії не існує.

Натомість команда вчених запропонувала «ефективну» теорію, яка змінює рівняння Ейнштейна так, щоб гравітація поводилася інакше в умовах сильно викривленого простору-часу. Це дозволяє усунути сингулярність чорної діри.

Що ж тоді знаходиться в центрі чорної діри?

«У нашій моделі колапс простору-часу зупиняється, і сингулярність замінюється сильно викривленою статичною областю, яка розташована в ядрі чорної діри», — пояснюють вчені.

Теоретично, якщо б спостерігач міг витримати величезні (але не нескінченні) гравітаційні сили, він міг би залишатися в цьому регіоні. Ще одним цікавим наслідком цієї моделі є те, що матерія, яка потрапляє в чорну діру, в кінцевому підсумку виходить з неї через так звану «білу діру», яка може бути розташована в іншому всесвіті або в іншій частині нашого.

Чи можна це перевірити?

Безпосередньо зазирнути в чорну діру ми не можемо, але є способи побічного підтвердження цієї теорії.

1. Гравітаційні хвилі – коливання простору-часу, які виникають під час злиття чорних дір, можуть дати підказки про поведінку гравітації за межами загальної теорії відносності.
2. Рання епоха Всесвіту – якщо ця теорія вірна, вона може залишити сліди у космічному мікрохвильовому фоні або в гравітаційних хвилях, що виникли під час інфляції.
3. Темна матерія – якщо чорні діри випаровуються через випромінювання Гокінга, їхні залишки можуть стати кандидатами на роль темної матерії.

Це дослідження пропонує можливий вихід із парадокса сингулярності чорної діри. Втім, попереду ще багато роботи, щоб перевірити цю ідею та дізнатися, чи дійсно чорні діри не такі загадкові, як здавалося раніше. Результати цього дослідження були опубліковані в журналі Physics Letters B у лютому 2025 року.