Гравитация сошла с ума — там, где ничего не должно быть, что-то есть
NewsMakerАльтернативные модели черных дыр заставили физиков пересмотреть концепцию сингулярности.
Общая теория относительности поставила перед физиками загадку, которая тревожит умы учёных уже больше века. За горизонтом событий чёрных дыр должна находиться точка, где привычные законы природы теряют силу. Подобная область, названная сингулярностью, настолько противоречит современным представлениям о мироздании, что исследователи активно ищут альтернативные модели для объяснения внутреннего устройства этих таинственных сгустков материи.
"Hic sunt leones" — латинское выражение "здесь обитают львы" часто цитирует Стефано Либерати, директор Института фундаментальной физики Вселенной (IFPU) в Триесте. На старинных картах такими словами картографы отмечали неизведанные, таящие опасность территории. По мнению учёного, древняя метафора идеально отражает суть проблемы: область пространства, недоступная для изучения.
Разгадка таинственного феномена началась в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал работу об общей теории относительности. Через год немецкий физик Карл Шварцшильд, анализируя уравнения теории, математически обосновал возможность существования удивительных космических тел. Колоссальная концентрация массы в них порождает настолько мощное гравитационное поле, что даже лучи света оказываются в плену. Так родилось представление о чёрных дырах.
Сомнения в непротиворечивости теории возникли сразу и спровоцировали десятилетия научных дискуссий. К 1960-м годам математические расчёты привели к неутешительному выводу: в глубине чёрной дыры кривизна пространства-времени устремляется к бесконечности. Реальное существование подобной сингулярности означало бы, что фундаментальная теория Эйнштейна не справляется с описанием предельных состояний материи.
Научный мир стал воспринимать упоминание сингулярности как признание неспособности объяснить происходящее в глубинах космического объекта. При этом свидетельства существования самих чёрных дыр множились с 1970-х годов, а связанные с ними открытия удостоились Нобелевских премий по физике в 2017 и 2020 годах.
Переломный 2015 год принёс первую регистрацию гравитационных волн от столкновения двух чёрных дыр. Телескоп горизонта событий (Event Horizon) в 2019 и 2022 годах впервые в истории передал на Землю снимки теней двух гигантских объектов. Но даже столь впечатляющие достижения не приблизили к разгадке природы сингулярности.
Стремясь найти решение, физики предположили: в экстремальных условиях гравитация может проявлять квантовые свойства, предотвращающие образование сингулярности. На основе такого подхода группа Либерати сейчас разрабатывает новые модели чёрных дыр.
Журнал Cosmology and Astroparticle Physics недавно опубликовал необычную работу — результат коллективного осмысления проблемы. "Наша статья не похожа ни на лабораторный отчёт, ни на академический обзор, — рассказывает Либерати. — На семинаре в институте собрались теоретики и экспериментаторы, маститые и начинающие учёные. В жарких спорах рождались новые идеи, менялись прежние убеждения, и весь путь научной мысли отразился в структуре публикации".
Анализируя загадку внутреннего устройства космических тел, учёные разработали три фундаментально разные модели. Первая — классическая, вытекающая из уравнений Эйнштейна. В ней пространство разделено на две области незримой границей — горизонтом событий, откуда невозможен возврат из-за чудовищной гравитации. А в самом сердце таится сингулярность, где привычная физика уступает место бесконечной кривизне пространства-времени.
Регулярная модель сохраняет внешнюю границу невозврата, но представляет иное внутреннее строение. В центральной области квантовые эффекты не позволяют веществу достичь бесконечной плотности. Благодаря этому законы природы сохраняют силу во всём объёме, а парадокс сингулярности исчезает.
"Имитатор" предлагает самое радикальное решение проблемы. На смену абстрактным понятиям приходит вполне осязаемая структура из сверхплотной материи. Гравитационное притяжение на её поверхности столь велико, что электромагнитное излучение едва пробивается наружу. Именно поэтому со стороны такая система практически неотличима от обычной чёрной дыры, хотя её природа совершенно иная.
Также в статье детально описаны возможные пути возникновения регулярных чёрных дыр и имитаторов, варианты их трансформации друг в друга и, главное, методы различения разных типов путём астрономических наблюдений.
Современные приборы позволили совершить невероятные открытия: астрофизики улавливают гравитационные волны от космических катаклизмов, получают изображения теней сверхмассивных тел — M87* и Стрельца A*. Однако полученные данные раскрывают лишь внешнюю картину явлений.
"Не всё потеряно, — объясняет Либерати. — Регулярные чёрные дыры, и особенно их имитаторы, никогда не бывают полностью идентичны стандартным образованиям — даже за пределами горизонта. Поэтому наблюдения за этими областями могут косвенно рассказать нам об их внутреннем устройстве".
Для проверки гипотез астрономам предстоит зафиксировать тончайшие отступления от расчётов теории Эйнштейна. Модернизированный телескоп горизонта событий сможет различить у имитаторов необычное искривление света — усложнённую структуру фотонных колец (светящихся окружностей, образованных захваченными гравитацией лучами) вокруг наблюдаемой цели.
Следы аномалий в гравитационных волнах подскажут об иной организации пространства-времени. А поверхность имитаторов, в отличие от классических чёрных дыр, должна излучать тепло, ведь отсутствие горизонта событий позволяет свету вырваться наружу.
Точные характеристики искомых явлений пока неизвестны. Но теоретические исследования и вычислительные модели ближайших лет помогут создать инструменты, специально предназначенные для поиска признаков альтернативных моделей.
Путь познания гравитационных волн показателен: теоретические предсказания направляют наблюдения, а полученные данные уточняют расчёты, отсеивая неверные предположения. Подобный подход способен привести к созданию единой квантовой теории гравитации, объединяющей описание Вселенной в космических масштабах с законами мира элементарных частиц.
"Наука о гравитации входит в удивительную эпоху, — подводит итог Либерати. — Перед исследователями открывается необъятное пространство для новых открытий".
Общая теория относительности поставила перед физиками загадку, которая тревожит умы учёных уже больше века. За горизонтом событий чёрных дыр должна находиться точка, где привычные законы природы теряют силу. Подобная область, названная сингулярностью, настолько противоречит современным представлениям о мироздании, что исследователи активно ищут альтернативные модели для объяснения внутреннего устройства этих таинственных сгустков материи.
"Hic sunt leones" — латинское выражение "здесь обитают львы" часто цитирует Стефано Либерати, директор Института фундаментальной физики Вселенной (IFPU) в Триесте. На старинных картах такими словами картографы отмечали неизведанные, таящие опасность территории. По мнению учёного, древняя метафора идеально отражает суть проблемы: область пространства, недоступная для изучения.
Разгадка таинственного феномена началась в 1915 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал работу об общей теории относительности. Через год немецкий физик Карл Шварцшильд, анализируя уравнения теории, математически обосновал возможность существования удивительных космических тел. Колоссальная концентрация массы в них порождает настолько мощное гравитационное поле, что даже лучи света оказываются в плену. Так родилось представление о чёрных дырах.
Сомнения в непротиворечивости теории возникли сразу и спровоцировали десятилетия научных дискуссий. К 1960-м годам математические расчёты привели к неутешительному выводу: в глубине чёрной дыры кривизна пространства-времени устремляется к бесконечности. Реальное существование подобной сингулярности означало бы, что фундаментальная теория Эйнштейна не справляется с описанием предельных состояний материи.
Научный мир стал воспринимать упоминание сингулярности как признание неспособности объяснить происходящее в глубинах космического объекта. При этом свидетельства существования самих чёрных дыр множились с 1970-х годов, а связанные с ними открытия удостоились Нобелевских премий по физике в 2017 и 2020 годах.
Переломный 2015 год принёс первую регистрацию гравитационных волн от столкновения двух чёрных дыр. Телескоп горизонта событий (Event Horizon) в 2019 и 2022 годах впервые в истории передал на Землю снимки теней двух гигантских объектов. Но даже столь впечатляющие достижения не приблизили к разгадке природы сингулярности.
Стремясь найти решение, физики предположили: в экстремальных условиях гравитация может проявлять квантовые свойства, предотвращающие образование сингулярности. На основе такого подхода группа Либерати сейчас разрабатывает новые модели чёрных дыр.
Журнал Cosmology and Astroparticle Physics недавно опубликовал необычную работу — результат коллективного осмысления проблемы. "Наша статья не похожа ни на лабораторный отчёт, ни на академический обзор, — рассказывает Либерати. — На семинаре в институте собрались теоретики и экспериментаторы, маститые и начинающие учёные. В жарких спорах рождались новые идеи, менялись прежние убеждения, и весь путь научной мысли отразился в структуре публикации".
Анализируя загадку внутреннего устройства космических тел, учёные разработали три фундаментально разные модели. Первая — классическая, вытекающая из уравнений Эйнштейна. В ней пространство разделено на две области незримой границей — горизонтом событий, откуда невозможен возврат из-за чудовищной гравитации. А в самом сердце таится сингулярность, где привычная физика уступает место бесконечной кривизне пространства-времени.
Регулярная модель сохраняет внешнюю границу невозврата, но представляет иное внутреннее строение. В центральной области квантовые эффекты не позволяют веществу достичь бесконечной плотности. Благодаря этому законы природы сохраняют силу во всём объёме, а парадокс сингулярности исчезает.
"Имитатор" предлагает самое радикальное решение проблемы. На смену абстрактным понятиям приходит вполне осязаемая структура из сверхплотной материи. Гравитационное притяжение на её поверхности столь велико, что электромагнитное излучение едва пробивается наружу. Именно поэтому со стороны такая система практически неотличима от обычной чёрной дыры, хотя её природа совершенно иная.
Также в статье детально описаны возможные пути возникновения регулярных чёрных дыр и имитаторов, варианты их трансформации друг в друга и, главное, методы различения разных типов путём астрономических наблюдений.
Современные приборы позволили совершить невероятные открытия: астрофизики улавливают гравитационные волны от космических катаклизмов, получают изображения теней сверхмассивных тел — M87* и Стрельца A*. Однако полученные данные раскрывают лишь внешнюю картину явлений.
"Не всё потеряно, — объясняет Либерати. — Регулярные чёрные дыры, и особенно их имитаторы, никогда не бывают полностью идентичны стандартным образованиям — даже за пределами горизонта. Поэтому наблюдения за этими областями могут косвенно рассказать нам об их внутреннем устройстве".
Для проверки гипотез астрономам предстоит зафиксировать тончайшие отступления от расчётов теории Эйнштейна. Модернизированный телескоп горизонта событий сможет различить у имитаторов необычное искривление света — усложнённую структуру фотонных колец (светящихся окружностей, образованных захваченными гравитацией лучами) вокруг наблюдаемой цели.
Следы аномалий в гравитационных волнах подскажут об иной организации пространства-времени. А поверхность имитаторов, в отличие от классических чёрных дыр, должна излучать тепло, ведь отсутствие горизонта событий позволяет свету вырваться наружу.
Точные характеристики искомых явлений пока неизвестны. Но теоретические исследования и вычислительные модели ближайших лет помогут создать инструменты, специально предназначенные для поиска признаков альтернативных моделей.
Путь познания гравитационных волн показателен: теоретические предсказания направляют наблюдения, а полученные данные уточняют расчёты, отсеивая неверные предположения. Подобный подход способен привести к созданию единой квантовой теории гравитации, объединяющей описание Вселенной в космических масштабах с законами мира элементарных частиц.
"Наука о гравитации входит в удивительную эпоху, — подводит итог Либерати. — Перед исследователями открывается необъятное пространство для новых открытий".