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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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?