Черные дыры — это области в космосе, характеризующиеся чрезвычайно сильной гравитацией, которая не позволяет всей материи и электромагнитным волнам покинуть ее. Эти удивительные космические тела были в центре внимания бесчисленных исследований, однако их сложные физические нюансы еще полностью не раскрыты. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Варшавского университета и Кембриджского университета недавно провели теоретическое исследование, сосредоточив внимание на классе черных дыр, известных как экстремальные черные дыры Керра, которые представляют собой незаряженные стационарные черные дыры с совпадающими внутренним и внешним горизонтами. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, показывает, что уникальные характеристики этих черных дыр могут сделать их идеальными «усилителями» новой, неизвестной физики.
«Это исследование берет начало в предыдущем проекте, начатом во время моего визита в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре», — рассказал Phys.org Мачей Колановский, один из исследователей, проводивших исследование. «Я начал обсуждать очень холодные (так называемые, экстремальные) черные дыры с Гэри Горовицем (UCSB) и Хорхе Сантосом (в Кембридже). Вскоре мы поняли, что на самом деле обычные экстремальные черные дыры выглядят совсем иначе, чем считалось ранее». В своей предыдущей статье Колановский, Горовиц и Сантос показали, что при наличии космологической постоянной на экстремальные черные дыры влияют бесконечные приливные силы. Это означает, что если живые существа упадут в черную дыру, они будут раздавлены гравитацией еще до того, как смогут приблизиться хотя бы на отдаленное расстояние к центру черной дыры. Тем не менее, команда показала, что если космологическая постоянная равна нулю, как предполагается во многих астрофизических сценариях, этот эффект исчезает.
«Искра для настоящей статьи возникла на еженедельном гравитационном обеде в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре», — объяснил Грант Реммен. «Беседуя с Горовицем после разговора о его работе по сингулярностям горизонта черной дыры, я спросил, могут ли другие эффекты привести к таким явлениям. Моя предыдущая работа по эффективным теориям поля (ЭПТ), особенно по разработке физических моделей с квантовыми поправками, дала мне Разговаривая с Горовицем, я задавался вопросом, могут ли члены высших производных в гравитационном ТЭО (то есть квантовые поправки к уравнениям Эйнштейна) сами по себе привести к сингулярностям на горизонтах экстремальных черных дыр». После того, как Реммен поделился своей идеей с Горовицем, они начали сотрудничество с Колановски и Сантосом, направленное на проверку этой идеи посредством серии расчетов. В своих расчетах исследователи рассматривали гравитацию Эйнштейна в сочетании с ее ведущими квантовыми поправками.
«Уравнения Эйнштейна линейны в тензоре Римана — математическом объекте, описывающем кривизну пространства-времени», — объяснил Реммен. «В трех измерениях пространства ведущими поправками к Эйнштейну являются члены кубической (третьей степени) и четвертой степени (четвертой степени) по кривизне. Поскольку кривизна является мерой производных геометрии пространства-времени, такие члены называются «высшими производными». условия.' Мы рассчитали влияние этих членов высших производных на быстро вращающиеся черные дыры». Экстремальные черные дыры вращаются с максимально возможной скоростью, соответствующей скорости движения горизонта со скоростью света. Расчеты исследователей показали, что поправки EFT с более высокой производной экстремальных черных дыр делают их горизонты сингулярными с бесконечными приливными силами. Это резко контрастирует с типичными черными дырами, которые имеют конечные приливные силы, которые становятся бесконечными только в центре черной дыры.
«Удивительно, но поправки EFT заставляют сингулярность прыгать от центра черной дыры к горизонту, где вы этого не ожидаете», — сказал Реммен. «Значение коэффициента перед данным термином EFT — «настройки шкалы» в законах физики — продиктовано связями и типами частиц, которые присутствуют при высоких энергиях и коротких расстояниях. В этом смысле коэффициенты EFT чувствительны к новой физике». Колановский, Горовиц, Реммен и Сантос также обнаружили, что сила расхождения приливов на горизонте экстремальных черных дыр и возможное возникновение приливной сингулярности сильно зависят от коэффициентов EFT. Таким образом, результаты их расчетов показывают, что геометрия пространства-времени вблизи горизонта этих черных дыр чувствительна к новой физике при более высоких энергиях. «Интересно, что эта неожиданная особенность присутствует в значениях коэффициентов EFT, генерируемых Стандартной моделью физики элементарных частиц», — сказал Реммен.
«Наши результаты удивительны, поскольку они подразумевают, что низкоэнергетическое описание физики может дать сбой в ситуации, когда вы этого не ожидаете. В физике обычно существует ощущение «разъединения» между различными масштабами расстояний. Например, вам не нужно знать детали молекул воды, чтобы описать волны с помощью гидродинамики. Однако для быстро вращающихся черных дыр именно это и происходит: низкоэнергетическое EFT разрушается на горизонте». В целом, расчеты, проведенные этой группой исследователей, намекают на перспективность экстремальных черных дыр Керра для исследования новых физических явлений. Хотя горизонт этих черных дыр может быть очень большим, не ожидалось, что он будет иметь бесконечно большую кривизну (то есть бесконечные приливные силы) в ТЭО. Их результаты показывают, что это так. «В будущей работе мы заинтересованы в изучении того, можно ли разрешить сингулярности с помощью ультрафиолетовой физики», — добавил Реммен. «Актуальный вопрос заключается в том, сохраняется ли чувствительность горизонта к новой физике вплоть до масштаба Планка, или же горизонт «сглаживается» в масштабе коротких расстояний, связанных с ТЭО. Мы также ищем другие ситуации в какие эффекты на коротких дистанциях могут неожиданно проявиться на больших расстояниях».
