Ученые смоделировали гипотетические объекты, похожие на черные дыры

Физики описали объект, который выглядит как черная дыра и преломляет свет, как черная дыра, но на самом деле это может быть звезда нового типа. Хотя загадочный объект является гипотетической математической конструкцией, новые симуляции, проведенные исследователями из Университета Джона Хопкинса, предполагают, что в космосе могут быть и другие небесные тела, скрывающиеся даже от лучших телескопов на Земле.

«Мы были очень удивлены», — сказал Пьер Хайдманн, физик, руководивший исследованием. «Объект выглядит так же, как черная дыра, но из его темного пятна исходит свет».

Обнаружение гравитационных волн в 2015 году подтвердило существование черных дыр. Вдохновленная этими открытиями, команда Университета Джона Хопкинса решила изучить возможность существования других объектов, которые могут производить аналогичные гравитационные эффекты, но которые могут проходить как черные дыры при наблюдении с помощью сверхточных датчиков на Земле.

«Как бы вы определили, что у вас нет черной дыры? У нас нет хорошего способа проверить это», — говорит соавтор работы Ибрахим Бах. «Изучение гипотетических объектов, таких как топологические солитоны, также поможет нам понять это».

Новые симуляции реалистично изображают объект, который исследователи называют топологическим солитоном. Моделирование показывает объект, который издалека выглядит как размытая фотография черной дыры, но вблизи он выглядит совсем иначе.

На данном этапе объект является гипотетическим. Но тот факт, что ученые смогли построить его с помощью математических уравнений и показать, как он выглядит с помощью моделирования, предполагает, что в космосе могут быть и другие типы небесных тел, скрывающиеся даже от лучших телескопов на Земле.

Полученные данные показывают, как топологический солитон искажает пространство точно так же, как черная дыра, но ведет себя не так, как черная дыра, поскольку он скремблирует и испускает слабые световые лучи, которые не могут избежать сильной гравитационной силы настоящей дыры.

Видеоролик, показывающий эффекты гравитационного линзирования, вызванные отсутствием объекта в поле зрения наблюдателя, черной дырой и топологическим солитоном. Предоставлено: Пьер Хайдманн / Университет Джона Хопкинса.

«Свет сильно искривлен, но вместо того, чтобы поглощаться, как в черной дыре, он рассеивается причудливыми движениями, пока в какой-то момент не возвращается к вам в хаотичном порядке», — сказал Пьер Хайдманн. «Вы не видите темного пятна. Вы видите размытие, что означает, что свет бешено вращается вокруг этого странного объекта».

Гравитационное поле черной дыры настолько сильное, что свет может вращаться вокруг нее на определенном расстоянии от ее центра, точно так же, как Земля вращается вокруг Солнца. Это расстояние определяет край «тени» дыры, так что любой падающий свет попадет в область, которую ученые называют «горизонтом событий». Там ничто не может ускользнуть, даже свет.

Ученые смоделировали несколько сценариев, используя изображения космического пространства, как если бы они были сняты камерой, поместив перед объективом черную дыру и топологический солитон. В результате были получены искаженные изображения из-за гравитационного воздействия массивных тел.

«Это первое моделирование астрофизически значимых объектов теории струн, поскольку мы можем охарактеризовать различия между топологическим солитоном и черной дырой так, как если бы наблюдатель видел их в небе», — сказал Пьер Хайдманн.

Вдохновленные различными результатами теории струн, Бах и Хайдманн в 2021 году открыли способы построения топологических солитонов с использованием общей теории относительности Эйнштейна. Хотя солитоны не являются предсказаниями новых объектов, они служат лучшими моделями того, как могут выглядеть новые объекты квантовой гравитации по сравнению с черными дырами.

Ученые ранее создали модели бозонных звезд, гравазвезд и других гипотетических объектов, которые могли бы оказывать аналогичные гравитационные эффекты с экзотическими формами материи.

Но новое исследование объясняет основные теории внутреннего устройства Вселенной, которых нет в других моделях. По словам ученых, в нем используется теория струн, которая согласовывает квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна.

Результаты работы будут опубликованы в журнале Physical Review D.