Как узнать что находится внутри черных дыр? И причем тут гравитационные волны?

Когда Купер – главный герой знаменитого «Интерстеллар», пересекает горизонт событий черной дыры и попадает в четырехмерное пространство, то ̶з̶а̶с̶т̶р̶е̶в̶а̶е̶т̶ ̶в̶ ̶к̶о̶м̶н̶а̶т̶е̶ ̶с̶в̶о̶е̶й̶ ̶д̶о̶ч̶е̶р̶и̶ может видеть любые объекты и исходящие от них «нити» времени. Но что на самом деле происходит внутри этих космических монстров? Общая теории относительности (ОТО) гласит, что за горизонтом событий скрывается сингулярность, а значит пространство и время сжимаются. Формально, сингулярность – это точка, в которую сколлапсировал материал, образующий черную дыру, а известные нам законы физики там попросту не работают. Ученые, однако, не исключают и другие варианты. Стивен Хокинг, например, не исключал, что черные дыры могут быть порталами в другие вселенные. Но как узнать что находится внутри, если ни один человек никогда не сможет там оказаться? Ответ на этот вопрос могут подсказать гравитационные волны и компьютерное моделирование.

Во Вселенной происходи множество космических катастроф, например, столкновение сверхмассивных черных дыр

Содержание

Что такое сингулярность и «точка невозврата»?

В 2015 году ученые из лабораторий LARGO и VIRGO сообщили об обнаружении гравитационных волн в результате столкновения двух черных дыр. До этого момента черные дыры считались гипотетическими объектами, а в способность доказать их существование не верил даже Эйнштейн (то же можно сказать и о гравитационных волнах). Однако на дворе 2023 год, а у человечества «в кармане» не только гравитационные волны, но и снимки горизонта событий двух черных дыр.

Напомним, что черные дыры представляют собой объекты в пространстве-времени, сила гравитации которых настолько велика, что вся поглощенная ими материя исчезает навеки. Мы знаем об этом благодаря горизонту событий – светящемуся кольцу этих космических монстров. Когда материя пересекает так называемую точку невозврата, то навсегда становится пленницей черных дыр.

Что такое сингулярность и «точка невозврата»? Внешний круг черной дыры называется горизонтом событий, а в центре космического монстра располагается сингулярность. Фото.

Внешний круг черной дыры называется горизонтом событий, а в центре космического монстра располагается сингулярность.

Освежив в памяти открытия последних лет, не будем забывать о сингулярности – центральной области черной дыры, расположенной за горизонтом событий. Считается, что в этой точке сосредоточена масса черной дыры с бесконечной плотностью, однако что именно там происходит неизвестно.

Черные дыры и компьютерные модели

Но вернемся к гравитационным волнам – «ряби» в пространстве времени, которая распространяется подобно волнам в результате космических катастроф – столкновений нейтронных звезд или черных дыр: чем больше масса и скорость движения объектов, тем больше колебания гравитационных волн.

Обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило ОТО Эйнштейна, а за прошедшие с тех пор годы было обнаружено около 100 сливающихся черных дыр. Теперь, благодаря работе команды 14 ученых во главе профессором Колумбийского университета Ламом Хуэем, моделирование космических катастроф прокладывает путь к более глубокому пониманию структуры черных дыр во время столкновений.

Черные дыры и компьютерные модели. Столкновение таких массивных объектов как нейтронные звезды и черные дыры порождает гравитационные волны, сотрясающие пространство-время. Фото.

Столкновение таких массивных объектов как нейтронные звезды и черные дыры порождает гравитационные волны, сотрясающие пространство-время

В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, команда описывает усложненный способ моделирования сигнала, излучаемого гравитационными волнами, путем включения в модель нелинейных взаимодействий. Ранее модели гравитационных волн включали только линейные взаимодействия, которые хорошо работают, но не учитывают различные виды поведения наблюдаемых космических объектов. Новое исследование улучшает модели на 10% (а это много).

Это большой шаг в подготовке к следующему этапу обнаружения гравитационных волн и пониманию гравитации и явлений, наблюдаемых в дальних уголках космоса, – пишут авторы научной работы.

Отметим, что нелинейность моделей для описания гравитационных волн можно сравнить с волнами в океане: спокойно поднимающиеся и опускающиеся описаны линейными уравнениями, а крупные и разбивающиеся – нелинейными. Последние демонстрируют движение воды в волне, включая капли воды, что содержатся в воздухе.

Черные дыры и компьютерные модели. Перед вами процесс поглощения звезды черной дырой. Фото.

Перед вами процесс поглощения звезды черной дырой

Новый метод также дает подсказки о том, что происходит внутри черных дыр, описывая гравитацию в экстремальных астрофизических условиях. «В попытках докопаться до истины мы наблюдаем за рябью пространства-времени как детективы. И это – лучший способ узнать как можно больше об их таинственной природе», – отметил один из 14 авторов научной работы.

Моделирование черных дыр

Исследование пришлось как нельзя кстати: в марте обсерватория LIGO вновь приступит к работе после закрытия в 2020 году из-за пандемии COVID-19. Ожидается, что в ближайшие годы сбором данных займутся несколько крупных детекторов гравитационных волн, а наличие улучшенных компьютерных моделей может привести к новым открытиям.

Улучшенные компьютерные модели позволяют оценить пространственно-временную структуру черных дыр и их содержимое, так как «прислушиваются» к звуку, исходящему от столкновения и слияния этих космических монстров. Ожидается, что в будущем эти модели помогут составить карту внутренней структуры черных дыр и того, что происходит с оказавшейся там материей.

Моделирование черных дыр. В модели используются новые методы для анализа волн, испускаемых черными дырами при столкновении. Фото.

В модели используются новые методы для анализа волн, испускаемых черными дырами при столкновении.

Нелейные взаимодействия можно сравнить с встряхиванием коробки и издаваемом в результате звуком, который позволяет узнать о ее содержимом. В данном случае тряска – столкновение двух черных дыр, а звук – издаваемые в процессе гравитационные волны. Результат, как ожидают специалисты, позволит обнаружить еще больше космических катастроф в самых отдаленных уголках Вселенной.

Дальнейшая работа над улучшением компьютерных моделей – это большой шаг в подготовке к следующему этапу обнаружения гравитационных волн и изучению самой главной (и загадочной) силы природы – гравитации и ее поведения на просторах бесконечной Вселенной. Но компьютерное моделирование – лишь малая часть этой колоссальной работы.

Как объяснить сингулряность?

Пролить свет на тайну содержимого черных дыр может темная энергия – сила, благодаря которой Вселенная расширяется со все возрастающей скоростью (что, на секунду, противоречит ОТО). О том, что ключ к пониманию структуры черных дыр связан с темной энергией, говорят результаты новых исследований, в ходе которых ученые измерили массу черных дыр в гигантской эллиптической галактике.

Звездообразование в таких галактиках как правило останавливается, а «строительного» материала катастрофически не хватает. Это означает, что черным дырам в центре таких галактик нечего поглощать, а значит набирать массу эти объекты не могут, – объясняют специалисты.

Как объяснить сингулряность? В центре черной дыры располагается сингулярность. Верхняя и нижняя точки – горизонт событий, поглощающий все вокруг и не выпускающий материю за пределы черной дыры. Фото.

В центре черной дыры располагается сингулярность. Верхняя и нижняя точки – горизонт событий, поглощающий все вокруг и не выпускающий материю за пределы черной дыры

Как показали результаты сразу двух исследований физиков из Гавайского университета, опубликованных в журнале Astrophysical Journal и Astrophysical Journal Letters, в отдаленных эллиптических галактиках без звездообразования, сверхмассивные черные дыры продолжали расти. Более того, эти таинственные объекты становились все более массивными примерно с той же скоростью, с которой расширялась Вселенная. «Это наводит на мысль о том, что черные дыры могут играть определенную роль в создании темной энергии», – говорится в статье.

В нашем сегодняшнем понимании центр черной дыры – это точка, в которой известные законы физики не работают из-за чрезмерной силы гравитации. При этом сингулярность математически невозможна.
«Когда физика внутри черной дыры становится странной, ее масса оказывается связанной с расширением всей Вселенной», – сообщают исследователи.

Как объяснить сингулряность? Некоторые физики полагают, что черные дыры являются источником таинственной темной энергии, ответственной, как считается, за расширение Вселенной. Фото.

Некоторые физики полагают, что черные дыры являются источником таинственной темной энергии, ответственной, как считается, за расширение Вселенной

Многие физики также высказывали предположения о том, что вместо сингулярности центр черной дыры может содержать так называемую вакуумную энергию – одну из возможных форм загадочной темной энергии. И все же, утверждать, что физики разгадали как тайну темной энергии и знают что находится внутри черных дыр, нельзя. Однако использование обновленных компьютерных моделей наряду с дальнейшими наблюдениями и сбором данных, позволят ответить на многие фундаментальные вопросы о мире и Вселенной, в котором мы живем.

А как вы думаете, что находится внутри черных дыр? Могут ли они быть порталами в другие миры или являются источником таинственной темной энергии? Ответ, как и всегда, ждем в нашем Telegram чате и комментариях к этой статье!