Сингулярности в черных дырах больше нет? Как на самом деле могут быть устроены черные дыры

Черные дыры. Одно только это словосочетание будоражит воображение, рисуя картины космических монстров, пожирающих всё на своем пути. И, честно говоря, классическое представление о них, уходящее корнями к знаменитому решению Карла Шварцшильда уравнений Эйнштейна, именно такое: область пространства-времени с горизонтом событий — точкой невозврата — и сингулярностью в центре. А что такое сингулярность? Ну, это когда вся гигантская масса звезды сжимается в точку с бесконечной плотностью и нулевым объемом. Бесконечность, втиснутая в точку. Звучит как математическая элегантность, но для физиков это, скорее, красный флажок, сигнализирующий: «Ребята, здесь наша теория ломается!»

И вот, пока мы восхищались снимками тени черной дыры от Телескопа Горизонта Событий, в тиши кабинетов и лабораторий зреет тихая революция. Группа ученых предлагает взглянуть на черные дыры под совершенно новым углом. Их цель — построить «несингулярную парадигму физики черных дыр». Проще говоря, избавиться от этой набившей оскомину бесконечности в центре.

А что, если «внутри» — не точка?

Идея не нова. Еще Стивен Хокинг предполагал, что черные дыры стоит переосмыслить как «метастабильные связанные состояния гравитационного поля». То есть, не вечные тюрьмы для материи, а нечто, что может существовать долго, но не бесконечно, и что внутри не обязательно скрывается ужас сингулярности.

Современные исследователи идут дальше и говорят о двух основных альтернативах классическим черным дырам:

1. Регулярные черные дыры: У них все еще есть горизонт событий (или нечто очень похожее, называемое «внешним горизонтом»), но внутри вместо сингулярности — какое-то «регулярное ядро». Это может быть область с экзотической материей или даже горловина кротовой норы, ведущая в другую вселенную или другой регион нашей. Представьте, что вы проваливаетесь не в бесконечную яму, а попадаете в… ну, скажем так, в менее предсказуемое место.
2. Подражатели черных дыр (Black hole mimickers): Эти ребята еще хитрее. У них вообще нет горизонта событий! Снаружи они могут выглядеть почти как черные дыры — очень компактные, массивные — но их «поверхность» (если она есть) находится не за точкой невозврата. Это могут быть, например, ультракомпактные звезды из экзотических частиц или проходимые кротовые норы.

«Погодите-ка, — скажете вы, — а как же так? Вроде бы горизонт событий — это неотъемлемая часть черной дыры?» Верно для классических. Но если нет сингулярности, то и строгая необходимость в горизонте событий, как гаранте предсказуемости нашей Вселенной (концепция «космической цензуры»), ослабевает. Физика не ломается, значит, и прятать «сломанное место» за горизонтом не обязательно.

Откуда дровишки? Рождение без коллапса в ничто

Главный вопрос: как такие экзотические объекты могут образоваться? Ведь стандартный сценарий — коллапс массивной звезды. Если не в сингулярность, то во что? Тут на сцену выходят эффекты, лежащие за пределами Общей теории относительности (ОТО) — квантовая гравитация, полуклассические эффекты. Есть, грубо говоря, два лагеря идей:

• Новая физика включается на подступах к горизонту: Некоторые теории предполагают, что как только материя начинает коллапсировать до состояния, где вот-вот образуется горизонт событий, в дело вступают квантовые эффекты или фазовые переходы. Например, концепции гравастаров (где коллапсирующая материя превращается в своего рода «пузырь» из экзотической энергии, окруженный тонкой оболочкой) или фаззболов (где черная дыра предстает как клубок из «струн» или других квантовых объектов, не имеющий четкого горизонта). Критики, правда, указывают, что кривизна пространства-времени на горизонте событий у сверхмассивных черных дыр может быть очень маленькой, и непонятно, почему там должны включаться какие-то радикально новые законы.
• Новая физика включается при достижении планковских плотностей: Другой подход — сингулярность предотвращается, когда плотность коллапсирующей материи достигает запредельных, так называемых планковских значений. В этот момент вступают в игру квантовые эффекты гравитации, создавая своего рода «отталкивающую силу» или превращая ядро в область геометрии де Ситтера (похожей на расширяющуюся Вселенную).

Звучит как научная фантастика, не правда ли? Но такие модели разрабатываются в рамках вполне серьезных направлений, таких как петлевая квантовая гравитация или теория асимптотической безопасности. И да, как показывают расчеты, эти механизмы действительно могут приводить к формированию регулярных черных дыр или их подражателей.

Неустойчивость — это баг или фича?

Интересно, что эти новые объекты, даже если избавлены от центральной сингулярности, не лишены своих «тараканов». У них могут быть свои собственные неустойчивости.

• Горизонты событий (и внешние горизонты регулярных ЧД): Они нестабильны из-за излучения Хокинга. Да, того самого! Правда, для массивных черных дыр этот процесс испарения занимает невообразимо долгое время, так что для астрофизики это скорее «метастабильность».
• Внутренние горизонты (в регулярных ЧД): Эти структуры печально известны нестабильностью, называемой «массовой инфляцией». По сути, любое возмущение, падающее на такой горизонт, бесконечно усиливается, что может привести к его разрушению.
• Поверхности «подражателей»: Если у подражателя есть какая-то физическая поверхность, она должна очень хитрым образом реагировать на падающую материю, чтобы не сколлапсировать в настоящую черную дыру с горизонтом.
• Световые кольца: Вблизи очень компактных объектов (и черных дыр, и их подражателей) свет может двигаться по круговым орбитам, образуя фотонные сферы или световые кольца. Некоторые из этих орбит могут быть стабильными, что, как ни парадоксально, тоже может приводить к долгоживущим, но в конечном счете нестабильным структурам, где свет «запирается» и накапливается.

И тут возникает философский вопрос: эти неустойчивости — это недостаток моделей, или они указывают на что-то важное в динамике этих объектов? Возможно, некоторые из этих «нестабильных» конфигураций — это лишь переходные этапы. Система «побарахтается» и в итоге придет к какому-то более стабильному состоянию. Или, как предполагал Хокинг, истинное конечное состояние — это как раз такое «метастабильное», постоянно меняющееся образование. Кажется, что в мире без сингулярностей нет окончательного «покоя», есть лишь вечная динамика!

Охота на призраков: как их заметить?

Допустим, такие объекты существуют. Как их отличить от старых добрых черных дыр? Ученые возлагают надежды на несколько «каналов» наблюдений:

1. Гравитационные волны: Слияния: Когда две обычные черные дыры сливаются, они излучают характерный сигнал. Если сливаются регулярные ЧД или подражатели, сигнал на стадии «вдоха» (inspiral) может быть похож, но сам момент слияния и последующие «звон» (ringdown) могут отличаться. Эхо: Самое интригующее — это «эхо» гравитационных волн. Если у объекта нет горизонта событий, или если его «поверхность» находится не слишком глубоко, гравитационные волны могут отражаться от центральной области или от потенциального барьера вблизи нее, создавая серию затухающих «эхо-сигналов» после основного всплеска. Поиск таких эхо — одна из горячих тем в анализе данных с LIGO/Virgo/KAGRA. Пока, правда, без однозначного успеха.
2. Электромагнитные наблюдения (телескопы):Изображения черных дыр: Телескоп Горизонта Событий (EHT) уже показал нам тени черных дыр. Но детали этой тени и окружающих ее ярких фотонных колец могут нести информацию о геометрии пространства-времени вблизи объекта. У регулярных ЧД и подражателей эти узоры из света могут отличаться от предсказаний ОТО для стандартных черных дыр. Например, могут появиться дополнительные фотонные кольца или измениться их относительные размеры. Движение звезд и пульсаров вокруг Стрельца А*: Наблюдая за звездами, вращающимися вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, мы можем очень точно измерить ее гравитационное поле. Отклонения от предсказаний ОТО могут указывать на экзотическую природу Стрельца А*

За деревьями не видно леса? Реалии наблюдений

Все это звучит захватывающе, но есть одна большая проблема: астрофизическая «грязь». Окружение черных дыр — это не вакуум. Там есть аккреционные диски из горячего газа, магнитные поля, джеты. Эти астрофизические детали сами по себе сложны, и их эффекты могут маскировать или имитировать тонкие проявления «новой физики».

Представьте, вы видите необычный узор света вокруг черной дыры. Это следствие того, что это регулярная черная дыра? Или это просто сложная структура аккреционного диска, которую мы еще не до конца понимаем? Отличить одно от другого — та еще задачка.

Поэтому исследователи работают над созданием все более точных моделей как самих экзотических объектов, так и их астрофизического окружения. Нужно научиться либо вычитать эту «грязь» из наблюдений, либо искать такие наблюдаемые признаки, которые минимально зависят от деталей аккреции (например, фотонные кольца очень высокого порядка, если их удастся разглядеть будущими телескопами).

Куда идем? Новая физика на горизонте (или вместо него)

Теоретическая мотивация для поиска несингулярной физики черных дыр сильна. Математический аппарат для описания таких объектов активно развивается. Появляется понимание, как они могли бы себя проявлять. Главное недостающее звено, по признанию самих ученых, — это детальное понимание динамики: как именно происходит формирование, эволюция, слияния этих объектов.

С другой стороны, поток наблюдательных данных — от гравитационно-волновых детекторов и телескопов вроде EHT — только нарастает. И это здорово, потому что именно наблюдения не дадут теоретикам улететь слишком далеко в своих фантазиях.

Конечно, путь к «перезагрузке» нашего понимания черных дыр будет долгим и тернистым. Но сама постановка вопроса — «А что, если сингулярности нет?» — уже открывает невероятные перспективы. Возможно, самые загадочные объекты во Вселенной скоро перестанут быть символом нашего незнания и превратятся в ключ к новой, еще более удивительной физике. Теоретики в восторге, наблюдатели наготове. Шоу только начинается!