Физики-теоретики утверждают, что черные дыры допускают вихревые структуры
Черные дыры — это астрономические объекты с чрезвычайно сильным гравитационным притяжением, от которого не может ускользнуть даже свет. Хотя идея тел, улавливающих свет, существует с 18 века, первое прямое наблюдение черных дыр состоялось в 2015 году.
С тех пор физики провели бесчисленное количество теоретических и экспериментальных исследований, направленных на лучшее понимание этих увлекательных космологических объектов. Это привело ко многим открытиям и теориям об уникальных характеристиках, свойствах и динамике черных дыр.
Ученые из Ludwig-Maximilians-Universität и Max-Planck-Institut für Physik недавно провели теоретическое исследование возможного существования вихрей в черных дырах. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, показывает, что теоретически черные дыры должны иметь вихревые структуры.
«Недавно была введена новая квантовая структура для черных дыр, а именно с точки зрения конденсатов Бозе-Эйнштейна гравитонов (квантов самой гравитации)», — сказал Флориан Кюнель, один из авторов работы.
«Вплоть до публикации нашей статьи вращающиеся черные дыры в рамках этой концепции тщательно не изучались. Однако они могут не только существовать, но и быть скорее правилом, чем исключением».
Он и его коллеги выполнили несколько расчетов, основанных на существующих физических теориях, в частности, на недавно разработанной квантовой модели черных дыр, основанной на гравитонных конденсатах Бозе-Эйнштейна. Ключевой целью их исследования было изучение вращающихся черных дыр на квантовом уровне, чтобы определить, действительно ли они допускают вихревые структуры.
«Поскольку вращающиеся конденсаты Бозе-Эйнштейна были предметом интенсивных исследований в лабораториях, известно, что они допускают вихревую структуру, если вращаются достаточно быстро», — говорят ученые. «Мы восприняли это как приглашение искать эти структуры также в моделях вращающихся черных дыр — и действительно их нашли».
Ученые показали, что черную дыру с экстремальным спином можно описать как гравитонный конденсат с завихренностью. Это согласуется с предыдущими исследованиями, предполагающими, что экстремальные черные дыры устойчивы к так называемому испарению Хокинга (т. е. излучению черного тела, которое, как полагают, высвобождается за пределами самой внешней поверхности черной дыры или горизонта событий).
Кроме того, исследователи показали, что при наличии подвижных зарядов общий вихрь черной дыры захватывает магнитный поток калибровочного поля, что приводит к характерным излучениям, которые можно наблюдать экспериментально. Таким образом, теоретические предсказания команды могут открыть новые возможности для наблюдения за новыми типами материи, включая миллизарядную темную материю.
«Завихренность — это совершенно новая характеристика черных дыр, которые на классическом уровне (то есть, если закрыть глаза на их квантовую структуру) полностью характеризуются тремя сущностями: массой, спином и зарядом», — сказал Флориан Кюнель. «Это то, что мы знали из учебников — до сих пор. Мы показали, что нам нужно добавить завихренность».
Предполагаемое группой существование вихрей в черных дырах предлагает возможное объяснение отсутствия излучения Хокинга для черных дыр с максимальным вращением. Таким образом, в будущем эта теория может проложить путь к новым экспериментальным наблюдениям и теоретическим выводам.
Например, вихревые структуры черных дыр могут объяснить чрезвычайно сильные магнитные поля, возникающие в активных ядрах галактик в нашей Вселенной. Кроме того, потенциально они могут лежать в основе почти всех известных галактических магнитных полей.
«Только недавно мы установили поле завихренности черной дыры», — добавил Флориан Кюнель. «Существует множество важных и волнующих вопросов, в том числе касающихся упомянутых выше применений. Кроме того, будущие гравитационно-волновые наблюдения за слиянием черных дыр, каждая из которых содержит вихрь (несколько таких), могут открыть дверь к новым и захватывающим квантовым аспектам пространства-времени».
Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.