Черные дыры — это астрономические объекты с чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, от которого не может ускользнуть даже свет. Хотя идея тел, улавливающих свет, существует с XVIII века, первое прямое наблюдение черных дыр состоялось в 2015 году.
С тех пор физики провели бесчисленное количество теоретических и экспериментальных исследований, чтобы лучше понять природу этих космологических объектов. Новое исследование расширяет понимание ученых об уникальных характеристиках, свойствах и динамике черных дыр.
Вихри и черные дыры
Сотрудники Университета Людвига-Максимилиана и Института физики Общества Макса Планка недавно провели теоретическое исследование возможного существования вихрей в черных дырах. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Physical Review Letters, теоретически они могут существовать.
Вплоть до публикации нового исследования физики не изучали вращающиеся черные дыры в рамках этой концепции. Однако они не только могут существовать. Это даже, скорее, правило, а не исключение.
Что сделали ученые?
Ученые выполнили несколько расчетов. Они основывались на недавно разработанной квантовой модели черных дыр, основанной на гравитонных конденсатах Бозе-Эйнштейна. Напомним, гравитоны — гипотетические безмассовые элементарные частицы. Они — переносчики гравитационного взаимодействия и кванты гравитационного поля без электрического и других зарядов. Предположительно, всегда движутся со скоростью света.
Фото: Event Horizon Telescope Collaboration
Ключевая цель нового исследования — изучить вращающиеся черные дыры на квантовом уровне, чтобы понять, действительно ли они допускают существование вихревых структур.
Поскольку вращающиеся конденсаты Бозе-Эйнштейна уже активно изучали в лабораториях, известно, что они допускают вихревую структуру, если вращаются достаточно быстро. Это и вдохновило ученых искать их также в моделях вращающихся черных дыр.
Что выяснили физики?
В рамках исследования ученые показали, что черную дыру с экстремальным спином можно описать как гравитонный конденсат с завихренностью. Примечательно, что это согласуется с предыдущими исследованиями.
Ранее физики уже предполагали, что экстремальные черные дыры устойчивы к излучению Хокинга. Напомним, это гипотетический процесс излучения черной дырой разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов. Излучение Хокинга — главный аргумент ученых относительно распада небольших черных дыр, которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на БАК.
Также исследование показало, что при наличии подвижных зарядов общий вихрь черной дыры захватывает магнитный поток калибровочного поля. В итоге это приводит к характерному излучению, которое можно наблюдать экспериментально. Таким образом, теоретические предсказания ученых открывают новые возможности для наблюдения за новыми типами материи, включая темную материю из миллизарядных частиц.
Как отметили авторы исследования, завихренность — это совершенно новая характеристика черных дыр. На классическом уровне (если не обращать внимание на их квантовую структуру) они полностью характеризуются тремя показателями: массой, спином и зарядом. Теперь ученые добавили к этому списку завихренность.
Что в итоге?
То, что ученые доказали предполагаемое существование вихрей в черных дырах, меняет науку. Например, это объясняет космическую нестыковку: почему у черных дыр с максимальным спином отсутствует излучение Хокинга. Таким образом, в будущем эта теория проложит путь к новым экспериментальным наблюдениям и теоретическим выводам об их природе.
Например, вихревые структуры черных дыр могут объяснить чрезвычайно сильные магнитные поля, которые возникают в активных ядрах галактик Вселенной. Кроме того, потенциально они могут лежать в основе почти всех известных галактических магнитных полей.
В будущем гравитационно-волновые наблюдения за слиянием черных дыр, каждая из которых отличается вихрями, помогут изучить квантовые аспекты пространства-времени.
Читать далее:
Космический самолет доставит грузы на МКС и приземлится в обычном «аэропорту»
Звезда приблизилась к черной дыре и ее разорвало: ученые наблюдали это с трех телескопов
Ученые нашли следы генетических мутаций в крови каждого человека, который побывал в космосе