Альтернативные модели черных дыр предполагают, что квантовые эффекты могут устранить необходимость в сингулярностях

Сингулярная черная дыра и несингулярные альтернативы. Автор: Sissa Medialab. Background image sourced from ESO/Cambridge Astronomical Survey Unit (eso.org/public/images/eso1101a/)

С тех пор, как общая теория относительности указала на существование черных дыр, научное сообщество с опаской отнеслось к одной специфической особенности: сингулярности в центре — точке, скрытой за горизонтом событий, где законы физики, управляющие остальной частью Вселенной, по-видимому, полностью нарушаются. Уже некоторое время исследователи работают над альтернативными моделями, свободными от сингулярностей.

Новая статья, опубликованная в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, результат работы, проведенной в Институте фундаментальной физики Вселенной (IFPU) в Триесте, рассматривает состояние дел в этой области. Она описывает две альтернативные модели, предлагает наблюдательные тесты и исследует, как это направление исследований может также способствовать развитию теории квантовой гравитации.

«Hic sunt leones», — замечает Стефано Либерати, один из авторов статьи и директор IFPU. Эта фраза относится к гипотетической сингулярности, предсказанной в центре стандартных черных дыр — тех, которые описываются решениями уравнений поля Эйнштейна. Чтобы понять, что это значит, будет полезен краткий исторический обзор.

В 1915 году Эйнштейн опубликовал свою основополагающую работу по общей теории относительности. Всего год спустя немецкий физик Карл Шварцшильд нашел точное решение этих уравнений, что подразумевало существование экстремальных объектов, ныне известных как черные дыры. Это объекты с массой, настолько концентрированной, что ничто — даже свет — не может избежать их гравитационного притяжения, отсюда и термин «черный».

Однако с самого начала возникли проблемные аспекты, которые вызвали многолетние дебаты. В 1960-х годах стало ясно, что кривизна пространства-времени становится поистине бесконечной в центре черной дыры: сингулярности, где законы физики — или так кажется — перестают применяться.

Если бы эта сингулярность была реальной, а не просто математическим артефактом, это означало бы, что общая теория относительности нарушается в экстремальных условиях. Для большей части научного сообщества использование термина «сингулярность» стало своего рода белым флагом: это сигнал о том, что мы просто не знаем, что происходит в этой области.

Несмотря на продолжающиеся дебаты вокруг сингулярностей, научные доказательства существования черных дыр продолжают расти с 1970-х годов, что привело к таким важным событиям, как Нобелевские премии по физике 2017 и 2020 годов.

К ключевым моментам можно отнести первое обнаружение гравитационных волн в 2015 году, что раскрыло слияние двух черных дыр, и необычные изображения, полученные Телескопом горизонта событий (EHT) в 2019 и 2022 годах. Однако ни одно из этих наблюдений до сих пор не дало окончательных ответов о природе сингулярностей.

Непознаваемая территория

И это возвращает нас к "леонам", о которых говорит Либерати: мы можем описать физику черной дыры только до определенного расстояния от центра. За пределами этого лежит тайна — неприемлемая ситуация для науки.

Вот почему исследователи уже давно ищут новую парадигму, в которой сингулярность «исцеляется» квантовыми эффектами, которые гравитация должна проявлять в таких экстремальных условиях. Это естественным образом приводит к моделям черных дыр без сингулярностей, подобным тем, которые исследовались в работе Либерати и его коллег.

Одним из интересных аспектов новой статьи является ее совместное происхождение. Это не работа одной исследовательской группы и не традиционная обзорная статья. «Это нечто большее», — объясняет Либерати.

«Она возникла в результате серии дискуссий ведущих экспертов в этой области — теоретиков и феноменологов, младших и старших исследователей, — которые собрались вместе во время специального семинара IFPU. Статья представляет собой синтез идей, представленных и обсуждавшихся на сессиях, которые примерно соответствуют структуре самой статьи».

По словам Либерати, дополнительная ценность заключается в самом разговоре: «По нескольким темам у участников изначально были разные взгляды, а некоторые закончили сеансы, по крайней мере частично изменив свое мнение».

Две неединственные альтернативы

В статье также описывается, как могут образовываться обычные черные дыры и имитаторы, как они могут трансформироваться друг в друга и, что самое важное, какие наблюдательные тесты могли бы однажды отличить их от стандартных черных дыр.

Хотя наблюдения, собранные до сих пор, были новаторскими, они не говорят нам всего. С 2015 года мы обнаружили гравитационные волны от слияний черных дыр и получили изображения теней двух черных дыр: M87* и Стрелец A*. Но эти наблюдения сосредоточены только на внешней стороне — они не дают представления о том, находится ли сингулярность в центре.

«Но не все потеряно», — говорит Либерати. «Обычные черные дыры, и особенно имитаторы, никогда не бывают в точности идентичны стандартным черным дырам — даже за горизонтом. Поэтому наблюдения, которые исследуют эти регионы, могли бы косвенно рассказать нам что-то об их внутренней структуре».

Для этого нам нужно будет измерить тонкие отклонения от предсказаний теории Эйнштейна, используя все более сложные инструменты и различные каналы наблюдения. Например, в случае имитаторов, изображения высокого разрешения, полученные с помощью Event Horizon Telescope, могут выявить неожиданные детали в преломленном вокруг этих объектов свете, например, более сложные фотонные кольца.

Гравитационные волны могут показывать тонкие аномалии, совместимые с неклассическими геометриями пространства-времени. А тепловое излучение с поверхности объекта без горизонта — например, имитатора — может дать еще одну многообещающую подсказку.

Многообещающее будущее

Текущие знания пока недостаточны для того, чтобы точно определить, какие именно возмущения нам следует искать или насколько сильными они могут быть. Однако в ближайшие годы ожидаются значительные успехи в теоретическом понимании и численном моделировании. Они заложат основу для новых наблюдательных инструментов, специально разработанных с учетом альтернативных моделей.

Как и в случае с гравитационными волнами, теория будет направлять наблюдение, а затем наблюдение будет уточнять теорию, возможно, даже исключая некоторые гипотезы.

Это направление исследований имеет огромные перспективы: оно может привести к разработке квантовой теории гравитации, моста между общей теорией относительности, описывающей Вселенную в больших масштабах, и квантовой механикой, которая управляет субатомным миром.

«То, что ждет нас в области гравитационных исследований, — заключает Либерати, — это поистине захватывающее время. Мы вступаем в эпоху, когда перед нами открывается огромный и неизведанный ландшафт».

Больше информации: Raúl Carballo-Rubio et al, Towards a Non-singular Paradigm of Black Hole Physics, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2501.05505

Источник: SISSA Medialab