|
Удивительное поведение черных дыр
|
|
|
|
Физик, изучающий черные дыры, обнаружил, что в расширяющейся Вселенной уравнения Эйнштейна требуют, чтобы скорость расширения Вселенной на горизонте событий каждой черной дыры была постоянной, одинаковой для всех черных дыр. В свою очередь, это означает, что единственной энергией на горизонте событий является темная энергия, так называемая космологическая постоянная. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv. "В противном случае, - сказал Никодем Поплавски, выдающийся преподаватель Университета Нью-Хейвена, - давление материи и кривизна пространства-времени должны были бы быть бесконечными на горизонте, но это нефизически". Черные дыры - увлекательная тема, потому что они связаны с самыми простыми вещами во Вселенной: их единственными свойствами являются масса, электрический заряд и угловой момент (спин). Однако их простота порождает фантастическое свойство — у них есть горизонт событий на критическом расстоянии от черной дыры, нефизическая поверхность вокруг него, в простейших случаях сферическая. Все, что находится ближе к черной дыре, то есть внутри горизонта событий, никогда не сможет покинуть черную дыру.
|
|
|
|
Черные дыры были предсказаны в 1916 году Карлом Шварцшильдом, когда он служил немецким солдатом на русском фронте, страдая от болезненного аутоиммунного кожного заболевания пузырчатки. Используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, он предположил наличие массивного, невращающегося, идеально круглого объекта в пустой и неизменной Вселенной и обнаружил горизонт событий. Радиус горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Внутри горизонта даже свет, самый быстрый объект во Вселенной, не может вырваться за пределы дыры. Шварцшильд также обнаружил очевидную сингулярность в центре черной дыры - месте с бесконечной плотностью, где законы тяготения Эйнштейна, по-видимому, нарушаются. С тех пор астрономы обнаружили, что в центре большинства галактик, по-видимому, находится сверхмассивная черная дыра; для Млечного Пути это Стрелец А*, масса которого более чем в четыре миллиона раз превышает массу Солнца. Только в 2019 году было получено прямое изображение черной дыры - черного пятна со светящимся ореолом вокруг него, расположенного в центре галактики Мессье 87, на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли.
|
 |
|
Идя дальше Шварцшильда, Поплавский предположил наличие массивного центрально-симметричного объекта в расширяющейся Вселенной. В данном случае решение уравнений Эйнштейна для описания структуры пространства-времени вокруг массы было впервые получено в 1933 году британским математиком и космологом Джорджем Маквитти. Маквитти обнаружил, что вблизи массы пространство-время подобно пространству Шварцшильда с горизонтом событий, но вдали от массы Вселенная расширяется, как наша вселенная сегодня. Параметр Хаббла, также называемый постоянной Хаббла, определяет скорость расширения Вселенной. Поплавский использовал решение Маквитти, чтобы обнаружить, что скорость расширения пространства на горизонте событий должна быть постоянной, связанной только с космологической постоянной (которую можно интерпретировать как плотность энергии вакуума пространства-времени). Сегодня мы знаем это как плотность темной энергии. То есть, единственная энергия на горизонте - это темная энергия. Следствием этого, по его словам, является то, что разные части Вселенной расширяются с разной скоростью.
|
|
|
|
Фактически, нечто подобное было обнаружено при так называемом "напряжении Хаббла", статистически значимом расхождении между двумя различными измеренными значениями параметра Хаббла, в зависимости от того, используются ли измерения "поздней вселенной" или методы "ранней вселенной", основанные на измерениях космического микроволнового фона. В своей работе Поплавский сказал, что это несоответствие "является естественным следствием правильного анализа пространства-времени черной дыры в расширяющейся Вселенной в рамках общей теории относительности Эйнштейна". Более того, его уравнения показывают, что следствием расширения Вселенной с разной скоростью является то, что космологическая постоянная — и, следовательно, величина темной энергии — должна быть положительной. В противном случае, по словам Поплавски, без этой константы "замкнутая вселенная была бы колебательной и не могла бы создавать космические пустоты". "Это самое простое объяснение наблюдаемого в настоящее время ускорения Вселенной". Скажем, для звезды Вселенная также расширяется на границе своей поверхности, но тело не расширяется, потому что оно связано гравитационными и электромагнитными силами.
|
|
|
|
Однако горизонт событий - это математически абстрактная вещь, состоящая не из материи или энергии, а просто из точек пространства, поэтому постоянная скорость расширения пространства там неудивительна. Сам горизонт событий (и, следовательно, черная дыра) не расширяется; точки пространства за пределами горизонта удаляются от него. Реальные черные дыры вращаются, но если это вращение обычно медленное, выводы Поплавского должны быть применимы и к ним в хорошем приближении. Но измерение параметра Хаббла на горизонте событий в настоящее время невозможно, если не будут разработаны новые методы. Наблюдатель, находящийся на горизонте событий, в принципе мог бы измерить там параметр Хаббла, но навсегда лишился бы возможности сообщить его значение остальной Вселенной, поскольку он падает за горизонт событий, и никакая информация не может быть отправлена обратно через него. По словам Поплавского, это согласуется с гипотезой, которую он опубликовал в 2010 году: каждая черная дыра на самом деле является червоточиной (мостом Эйнштейна-Розена), ведущей в новую вселенную по другую сторону горизонта событий. "Горизонт событий - это проход из одной вселенной в другую", - сказал он. "Этот проход не увеличивается с расширением Вселенной... Если это происходит для горизонта событий черной дыры, образующей Вселенную, то это должно сработать и для горизонтов событий других черных дыр в этой Вселенной".
|
|
|
|
Источник
|
