Прецизирани уравненията на Айнщайн в общата теория на относителността може би най-накрая ще обяснят какво се крие в сърцевините на черните дупки
Според ново изследване черните дупки могат да съществуват без сингулярност в своите ядра, която по принцип нарушава законите на физиката и най-вече тези на квантовата физика. Теоретичните постановки на квантовата механика гласят, че сингулярност в черните дупки не би трябвало да съществува. Нови корекции в уравненията на Айнщайн от общата теория на относителността може най-накрая да я премахнат и да обяснят какво всъщност се намира в сърцевините на черните дупки.
Коригиране на Айнщайн
Теоретични физици са предложили възможно решение на един от най-загадъчните проблеми в съвременната физика – парадокса на сингулярността в черните дупки. Те предлагат да се модифицира общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн , и по този начин центърът на черната дупка, който според сегашните уравнения притежава безкрайна кривина, да бъде заменен с много силно изкривен, но все пак регулярен регион на пространство-времето.
„Сингулярностите са региони на Вселената, в които пространството, времето и материята са свити и изкривени до безкрай“, казва съавторът на изследването Роби Хенигар, постдокторант в Университета в Дърам, Великобритания. „Това е много сериозен проблем, тъй като ако сингулярностите наистина съществуват във Вселената, това би било катастрофално за науката.“
„Тогава не бихме могли да използваме уравненията на физиката, за да предсказваме бъдещето въз основа на миналото и настоящето“, продължава той. „Поради тези причини повечето учени вярват, че сингулярностите не са реални, а просто ни показват, че общата теория на относителност трябва да бъде заменена с по-пълна теория, която да описва Вселената в тези крайни условия.“
От своето създаване през 1915 г. общата теория на относителността успешно обяснява различни астрофизични и космологични явления, включително формирането на черни дупки, структурата на неутронните звезди и еволюцията на Вселената в голям мащаб.
Въпреки това, ОТО има фундаментални ограничения. Тя е несъвместима с квантовата механика, която описва поведението на частиците в най-малките мащаби и изключва наличието на сингулярности, тоест точки с безкрайна плътност, докато теорията на относителността предсказва съществуването им, както в центъра на черните дупки, така и по време на Големия взрив.
За да решат този проблем, учените са използвали концепцията, известна като квантова гравитация. Тя обикновено се използва при опитите да се обединят ОТО и квантовата механика, като предвижда непрекъснато създаване и унищожаване на частици във вакуума, както и постоянни флуктуации на всички полета, включително гравитацията.
В изследването, публикувано през февруари в списание Physics Letters B, се предполага, че при изключително високи енергии или невероятно малки разстояния, уравненията на ОТО трябва да бъдат модифицирани с безкраен ред от допълнителни членове.
„В квантовата гравитация се разглеждат всички корекции на уравненията, които свързват енергията и импулса на системата с кривината на пространство-времето, стига тези корекции да са съвместими с известните физични принципи“, обяснява Хенигар. „Различните подходи към квантовата гравитация поставят различен акцент върху различните членове в уравненията, но всички те предполагат, че уравненията на Айнщайн трябва да бъдат прецизирани.“
Включвайки тези модификации в своите изчисления, учените са анализирали как черните дупки биха се държали в този нов теоретичен модел. Резултатите им показват, че когато се добави безкраен брой нови членове, сингулярността изчезва. Вместо точка с безкрайна плътност, ядрото на черната дупка става силно изкривен, но нормален регион на пространство-времето.
Тестване на теорията
Въпреки че новият модел решава проблема със сингулярността математически, той трябва да бъде потвърден чрез наблюдения, което е изключително сложна задача, тъй като е невъзможно да погледнем в центъра на дадена черна дупка. Изследователите също признават, че директното потвърждаване на тяхната идея е голямо предизвикателство.
„Самото отсъствие на сингулярности е трудно за експериментално тестване, защото това явление се случва вътре в черната дупка или в самото начало на зараждането на Вселената“, казва Пабло Кано, постдокторант в Университета в Барселона и съавтор на изследването. „Но можем да търсим знаци за тези теории, предполагащи премахването на сингулярностите.“
„Модификациите на ОТО, които разглеждаме, стават значими в по-силни гравитационни полета, а в по-слабите са незначителни“, добавя Кано. „Това означава, че гравитационните вълни, идващи от сблъсъци на черни дупки, там където гравитационните полета са много по-силни, отколкото в нашата Слънчева система, могат да ни дадат начин за търсене на тези ефекти.“
Друг обещаващ метод е изследването на ранната Вселена. Ако ефектите от тази модифицирана теория са повлияли на космическата инфлация, тоест бързото разширяване последвало Големия взрив, следи от тези промени може да са оставили своя отпечатък в първичните гравитационни вълни. Бъдещи експерименти, насочени към тези сигнали, биха могли да помогнат за проверката на новата теория.
Следващи стъпки
Освен това, учените са убедени , че са необходими допълнителни теоретични изследвания, за да се определи дали черни дупки без сингулярности могат естествено да се формират чрез гравитационен колапс и дали този подход може да реши други видове сингулярности, като например тези, свързани с Големия взрив.
„Наскоро показахме, че колапсът на определен тип материя в рамките на този модел води, до формирането на обичайни черни дупки“, казва Пабло Буено, изследовател в Университета в Барселона и съавтор на изследването. „Бихме искали да тестваме това при по-общи предположения. Това може да доведе до интересни резултати в други области, като например космологичните модели, при които обичайният сценарий на Големия взрив се заменя с безкраен цикъл на разширяващи се и свиващи се фази.“
