Астрономы обнаружили у черных дыр «волосы»

С того самого момента, как Альберт Эйнштейн обнаружил в своих уравнениях гравитационные волны, прошло 105 лет – мгновение по меркам Вселенной, да и для человечества это не так много. Тем не менее за прошедшее столетие мы узнали о Вселенной столько нового! Намного больше, чем предполагал Эйнштейн. Представьте себе его изумление, застань он обнаружение гравитационных волн или публикацию первого снимка черной дыры. Что уж говорить об открытиях лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года – ее удостоились Роджер Пенроуз из Великобритании, Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США. Пенроуз математически доказал, что черные дыры должны возникать в обычном для космоса процессе: при взрывах сверхновых. А Генцель и Гез обнаружили сверхмассивный компактный объект в центре Млечного Пути. Небесное тело, открытое лауреатами, стало первым обнаруженным в космосе объектом, который абсолютно точно является черной дырой. Но и это еще не все. Недавно международная группа астрономов доказала, что у вращающихся черных дыр могут существовать «волосы», то есть дополнительные параметры, которые зависят от поглощенной материи.

Ученые обнаружили у черных дыр «волосы»!

Теорема отсутствия волос

Согласно теореме отсутствия волос, черные дыры можно описать путем решения гравитационных и электромагнитных уравнений Эйнштейна-Максвелла (ОТО), из которых следует, что черные дыры могут иметь всего три характеристики — массу, угловой момент (скорость вращения, спин) и электрический заряд. Если эти значения сходятся, то эти черные дыры можно называть близнецами — наблюдатель не сможет отличить их друг от друга даже если они будут образованы совершенно разными способами.

Отмечу, что математического доказательства общей теоремы об отсутствии волос не существует, поэтому математики называют ее гипотезой. Так как никакой другой наблюдаемой информации об этих пожирающих свет объектах нет, они кажутся ученым гладкими и уникально «лысыми» – некоторые физики говорят, что черные дыры напоминают лысую голову без волос.

Некоторые физики сравнивают черные дыры с головой без волос. Но, они, возможно, ошибаются.

Результаты нового исследования, однако, ставят под сомнение теорему отсутствия волос или, по крайней мере, ее универсальное применение: с помощью компьютерного моделирования авторы работы продемонстрировали, что «экстремальные» черные дыры — те, чей спин или электрический заряд полностью исчерпан — действительно имеют несколько тонких «волосков». Авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review D также отмечают, что «волосы» черных дыр однажды можно будет обнаружить с помощью детекторов гравитационных волн (LIGO и VIRGO).

Откуда у черных дыр «волосы»?

На протяжении многих лет ученые искали способы обойти теорему об отсутствии волос с помощью различных лазеек. Исследователи также искали особенности, которые указывали бы на существование неизвестных фундаментальных полей, способных взаимодействовать с черными дырами.

В 2012 году математик Стефанос Аретакис и его коллеги из Университета Торонто предположили, что на горизонте событий некоторых черных дыр могут наблюдаться нестабильности. Эти нестабильности фактически придавали бы некоторым областям горизонта событий черной дыры более сильное гравитационное притяжение, чем другим, что сделало бы идентичные черные дыры различимыми.

Как пишет Quanta Magazine, сегодня мы знаем о существовании одного скалярного поля – поле Хиггса. Поле Хиггса, однако, неустойчиво и быстро распадается, но не другие скалярные поля, связанные с темной материей, темной энергии и различными нитями теории струн. Команда исследователей из Массачусетского университета в своей работе показала, что экстремально вращающиеся черные дыры могут иметь гравитационный эквивалент заряда Аретакиса.

Скалярное поле в некоторых теориях гравитации используется для описания гравитационного поля.

«То, что Аретакис обнаружил с помощью своего математического анализа – это то, что на горизонте остался след скалярного поля, — пишут авторы исследования. Это так называемый заряд Аретакиса, и мы обнаружили, что существует аналогичный заряд, связанный с гравитационным полем».

Физики считают, что гравитационные волосы возникают из-за возмущений в кривизне пространства-времени на горизонте событий черной дыры и зависят от того, как черная дыра была сформирована. Поскольку существуют различия в точных деталях того, как образуется каждая черная дыра, это означает, что у каждой черной дыры будут разные гравитационные «волосы», даже если масса, скорость вращения и заряд черных дыр одинаковы.

Существует также вероятность того, что гравитационные «волосы» могут быть замечены во время слияния черных дыр. То есть если когда-нибудь «волосы» удастся обнаружить, ученые смогут получить ценное понимание физики вне рамок Стандартной модели. Отметим, что авторы нового исследования не опровергли теорему отсутствия волос, но показали, что она применима не ко всем черным дырам.

Источник