Дізнайтеся про теорії що всередині чорної діри: які на сьогодні існують теорії та чи вдасться нам дізнатися про це за нашого життя?
Сингулярність у центрі чорної діри – це абсолютна нічийна територія: місце, де матерія стискається до нескінченно крихітної точки, а всі уявлення про час і простір повністю руйнуються. Але є думки, що сама сингулярність насправді не існує. Тоді щось має замінити сингулярність, але ми точно не знаємо, що саме.
Що таке сингулярність у Всесвіті? Гравітаційна сингулярність, сингулярність простору-часу або просто сингулярність – це стан, в якому гравітація, за прогнозами, буде настільки інтенсивною, що сам простір-час катастрофічно зруйнується. Як така, сингулярність за визначенням більше не є частиною регулярного простору-часу і не може бути визначена “де” або “коли”.
Давайте розглянемо деякі можливості, що всередині чорної діри, якщо відкинути сингулярність.
Що всередині чорної діри?
Зірки Планка
Можливо, глибоко всередині чорної діри матерія не стискається до нескінченно крихітної точки. Замість цього може існувати найменша можлива конфігурація матерії, найменша можлива кишеня об’єму.
Це називається зіркою Планка, і це теоретична можливість, передбачена петльовою квантовою гравітацією, яка сама по собі є дуже гіпотетичною пропозицією для створення квантової версії гравітації. У світі петльової квантової гравітації простір і час квантуються – всесвіт навколо нас складається з крихітних дискретних шматочків, але в такому неймовірно крихітному масштабі.
Ця теоретична фрагментарність простору-часу має дві переваги. По-перше, вона доводить мрію квантової механіки до її остаточного завершення, пояснюючи гравітацію у природний спосіб. А по-друге, вона унеможливлює утворення сингулярностей всередині чорних дір.
Коли матерія стискається під величезною гравітаційною вагою зірки, що колапсує, вона зустрічає опір. Дискретність простору-часу не дозволяє матерії досягти розмірів, менших за планківську довжину (близько 1,68 разів 10^-35 метра). Вся матерія, яка коли-небудь потрапляла в чорну діру, стискається в кульку. Ідеально мікроскопічну, але точно не нескінченно крихітну.
Яка найбільша чорна діра: топ 5 відомих
Цей опір постійному стисненню врешті-решт змушує матеріал розпастися (тобто вибухнути), роблячи чорні діри лише тимчасовими об’єктами. Але через екстремальні ефекти уповільнення часу навколо чорних дір, з нашої перспективи у зовнішньому всесвіті, минають мільярди, навіть трильйони років, перш ніж вони вибухають.
Теорія відносності Ейнштейна: загальна, спеціальна та перший постулат
Грава-зірки
Інша спроба заперечити сингулярність – та, що не покладається на неперевірені теорії квантової гравітації – відома як гравастар. Це дуже теоретична концепція.
Різниця між теоретичною чорною дірою і грава-зіркою полягає в тому, що замість сингулярності грава-зірка заповнена темною енергією. Темна енергія – це речовина, яка пронизує простір-час, змушуючи його розширюватися назовні. Це звучить як фантастика, але це реальність: темна енергія зараз діє у великому космосі, змушуючи весь наш всесвіт прискорюватися у своєму розширенні.
Коли матерія падає на гравітаційну зірку, вона не може проникнути за горизонт подій (через всю цю темну енергію всередині) і тому просто зависає на поверхні. Але за межами цієї поверхні грава-зірки виглядають і поводяться як звичайні чорні діри. (Горизонт подій чорної діри – це її точка неповернення, межа, за яку ніщо, навіть світло, не може вирватися).
Однак нещодавні спостереження злиття чорних дір за допомогою детекторів гравітаційних хвиль потенційно виключили існування грава-зірок, оскільки злиття грава-зірок дасть інший сигнал, ніж злиття чорних дір, і такі прилади, як LIGO (Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) і Virgo, з кожним днем отримують все більше і більше доказів цього. Хоча існування грава-зірки не зовсім виключене у нашому всесвіті.
Що таке третя космічна швидкість?
А як щодо чорних зірок, які обертаються?
Зірки Планка та грава-зірки звучать інтригуюче, але реальність їхнього існування викликає сумніви. Тож, можливо, існує більш приземлене пояснення сингулярності, яке ґрунтується на більш тонкому та реалістичному погляді на чорні діри у нашому всесвіті.
Ідея єдиної точки нескінченної густини походить з нашого уявлення про стаціонарні, необертові, незаряджені, досить нудні чорні діри. Реальні чорні діри є набагато цікавішими персонажами, особливо коли вони обертаються.
Обертання обертової чорної діри розтягує сингулярність у кільце. І згідно з математикою теорії загальної відносності Ейнштейна (а це єдина математика, яку ми маємо), як тільки ви проходите крізь кільцеву сингулярність, ви потрапляєте в червоточину і вискакуєте через білу діру (полярну протилежність чорної діри, куди ніщо не може увійти, а матерія вилітає зі швидкістю світла) в абсолютно нову і захоплюючу ділянку всесвіту.
Одна проблема: інтер’єри обертових чорних дір катастрофічно нестабільні. І це згідно з тією самою математикою, яка призводить до непередбачення подорожей до нового всесвіту.
Проблема обертових чорних дір полягає в тому, що вони просто обертаються. Сингулярність, розтягнута в кільце, обертається з такою фантастичною швидкістю, що має неймовірну відцентрову силу. А в загальній теорії відносності досить сильні відцентрові сили діють як антигравітація: вони штовхають, а не тягнуть.
Це створює межу всередині чорної діри, яка називається внутрішнім горизонтом. За межами цієї області випромінювання падає всередину, до сингулярності, під дією сильного гравітаційного тяжіння. Але біля кільцевої сингулярності випромінювання виштовхується антигравітацією, і поворотним моментом є внутрішній горизонт. Якби ви зустрілися з внутрішнім горизонтом, ви б зіткнулися зі стіною нескінченно енергійного випромінювання – всією минулою історією Всесвіту, виплеснутою вам в обличчя менш ніж за мить.
Формування внутрішнього горизонту сіє насіння для руйнування теорії чорної діри. Але чорні діри, що обертаються, безумовно, існують у нашому всесвіті, тож це говорить нам про те, що наша математика неправильна і відбувається щось дивне.
Що всередині чорної діри насправді? Ми не знаємо – і найстрашніше те, що ми можемо ніколи не дізнатися.
Пол М. Саттер – астрофізик з SUNY Stony Brook і Flatiron Institute, ведучий програм “Запитай космонавта” і “Космічне радіо”, автор книги “Як померти в космосі”. Саттер написав цю статтю для рубрики “Експертні голоси” на Space.com.
