Нова теория предлага необичаен поглед към раждането и смъртта на черните дупки
Най-странните обекти във Вселената – черните дупки – помагат на учените да разгадаят основните тайни на Вселената и за евентуалното създаване на „теорията за всичко“. Канадски изследователи предлагат нова теория за решаване на проблемите със сингулярността, а така също и със загубата на информация, използвайки в своите изчисления метод, разработен от съветския и руски учен Николай Годунов. Резултатите от тяхното изследване са публикувани в изданието Physical Review Letters.
Черните дупки са космически обекти с толкова силна гравитация, че нито материята, нито лъчението могат да избягат от тяхното привличане. Според класическата обща теория на относителността цялата материя, от която се образува черната дупка, в крайна сметка се озовава вътре в нея и по определен начин се свива до огромна или дори безкрайна плътност. Тази хипотеза е известна като “проблема за сингулярността”.
В една от основополагащите си статии Стивън Хокинг предполага, че черните дупки бавно изчезват с течение на времето, „изпарявайки се“. Но въпросът къде отива всичко, което черната дупка е засмукала в себе си, остава открит. В астрофизиката това се нарича “проблем със загубата на информация”.
Изследователи от Университета на Ню Брънзуик в Канада са разработили теория, която решава както проблемите със сингулярността, така и проблемите със загубата на информация и хвърля повече светлина върху това как материята колапсира, за да образува черна дупка. Това е алтернативен поглед върху образуването и еволюцията на черните дупки, различен от предлаганите досега от класическите теории.
„Въпросът за съдбата на черната дупка и какво се случва с материята (или информацията), от която е образувана, остава отворен в продължение на петдесет години. Ние знаем много за това как колапсиращата материя образува черни дупки според общата теория на относителността, но въпросът какво се случва на квантово ниво остава отворен научен проблем “, казват авторите на работата.
В своята нова разработка те са използвали теорията на примковата квантова гравитация. Тази концепция, създадена в опит да се „сприятели“ квантовата механика и общата теория на относителността, предполага, че пространството и времето в нашата вселена всъщност не са обединени, а разделени, тоест дискретни. Пространството и времето във всеки един момент и във всяка една точка на квантовото ниво представляват малки „клетки“ или „примки“. Последните се преплитат в различни конфигурации, образувайки всичко във Вселената.
Това е само една от няколкото основни конкуриращи се концепции, които се стремят да обяснят фундаменталната структура на Вселената и да създадат „теория за всичко“. Всички тези концепции в теоретичната физика се базират на много сложни математически модели и техния проблем се състои в това, че те на практика не могат да бъдат проверени експериментално. В момента основният въпрос, стоящ пред учените, е дали “математиката на Вселената” ще съвпадне с техните модели или не. Малкото места във Вселената, където могат да бъдат тествани различните „теории за всичко“, са черните дупки.
И така, авторите на новата работа са включили дискретността на пространство-времето в своите уравнения, описващи гравитационния колапс на материята в черна дупка.
„Това уравнение е модифицирана версия на класическите уравнения на Айнщайн, която включва фундаменталната дискретност на пространството на микроскопично ниво“, каза Викар Хюсеин, водещ автор на разработката.
Методът за моделиране, който физиците са използвали в своето изследване, е разработен от академик Сергей Годунов, известен съветски и руски учен, чиято научна дейност е свързана с теоретични изследвания върху моделирането на течението на течности и образуването на вълни. Авторите на новата теория са създали компютърен модел, при който материята плавно се компресира в черна дупка. В качеството на модел на материя те са използвали облак от прах.
„Проследихме еволюцията на облака, състоящ се от колапсиращи прахови частици, докато той не образува черна дупка. Методът на Годунов ни позволи да проследим еволюцията на материята дори вътре в черна дупка към точката на сингулярност (безкрайна плътност)”, казват учените.
Новата теория предполага, че материята пада в центъра на черна дупка, достига висока, но крайна (а не безкрайна) плътност и след това се връща обратно, образувайки ударна вълна. Когато тази ударна вълна излезе от хоризонта на черната дупка, тя започва да се размива и самата дупка започва да се „изпарява“.
Оказало се, че законите на квантовата механика важат за ударната вълна и при това се запазва изкривяването на пространство-времето според общата теория на относителността. Така че теоретично е станало възможно да се комбинират тези две фундаментални концепции, добавяйки към тях теорията на Хокинг за „изпаряването“ на черните дупки.
Освен това, използвайки принципите на моделиране, въведени от Годунов, изследователите са успели да изчислят продължителността на живот на черна дупка. Интересното е, че изчисленият от тях живот на черната дупка е много по-кратък от времето на изпаряване, предсказано от Хокинг. Това предполага, че новият модел може да помогне за решаването на проблема със загубата на информация – материята просто лети обратно в космоса. Но за да се потвърди всичко това, ще са необходими допълнителни изчисления.
Така, според новия модел, вътре в черните дупки могат да се образуват ударни вълни, като се предполага, че съвременните научни инструменти ще могат да ги фиксират по тяхното „ехо“ Ако се потърсят такива вълни, то това би дало възможност да се тества правилността на новата теория.
„Ако това се окаже така, ударните вълни могат да се превърнат в универсален знак за смъртта на черна дупка“, резюмират изследователите.
