Американские учёные полагают, что раскрыли тайну космических чёрных дыр и думают, что Вселенная — это гигантский пузырь, надуваемый неизвестной силой.
Эмиль Моттола из Национальной Лаборатории в Нью-Мексико (Emil Mottola, Los Alamos National Laboratory, New Mexico) и Пауль Мазур из Университета Штата Южная Каролина в Колумбии (Pawel Mazur, of the University of South Carolina in Columbia) опубликовали результаты десятилетних исследований чёрных дыр. По их мнению, загадка чёрных дыр, наконец, разгадана: никаких дыр не существует.
Учёные считают, что так называемая чёрная дыра представляет собой некое тело, похожее на пузырь, состоящее из сверхплотного вещества. Первоначальное название этого тела, которое пока нельзя считать термином, но оно, по всей видимости, войдёт в словари астрономии, — гравастар (gravastar), что можно перевести как сокращение от «гравитационная звезда».
По мнению астрофизиков—революционеров, традиционная физика стыдливо умалчивает о проблемах, связанных с чёрными дырами и тема уже давно стала «кулуарной». Желая противостоять такому положению дел в науке, они заявляют, что взрыв звезды влечёт за собой совершенно иные последствия, чем это принято было считать раньше.
Гравастар представляет собой холодную, плотную оболочку, которая находится под напряжением из-за распирающего её изнутри жидкого вещества или тела неизвестной консистенции. Такое описание соответствует тем фотографиям чёрных дыр, которые существуют на сегодняшний день.
Новые исследования стали частью долгих дебатов о том, являются ли чёрные дыры реальностью или вымыслом, которые ведутся с начала XX века.
Теория чёрных дыр появилась во времена Первой мировой войны, когда немецкий астроном Карл Шварцшилд (Karl Schwarzschild), воевавший на русском фронте, решил одно из уравнений только что появившейся теории Эйнштейна о гравитации. По этому уравнению выходило, что пространство-время вокруг массивной звезды должно быть искривленным.
Если поместить достаточно большую звезду в ограниченное пространство, её плотность может достичь практически бесконечной величины, а «траектория» и характеристики искривления пространства-времени станут практически невычислимыми. Гравитация около одного из подобных объектов будет невероятно сильна, и ничто — даже фотоны — не сможет избежать её воздействия.
В те годы Эйнштейн разделял точку зрения большинства физиков, что существование подобных объектов, позже названных чёрными дырами, было бы невероятным и неестественным. Он говорил, что всё это теоретические допуски, и звёзды не могут сжиматься до таких размеров.
Прошли десятилетия, и учёные всё-таки признали вероятность подобного феномена. Массивная звезда заканчивает свою жизнь «взрывом суперновой», и если вес её ядра в два раза превышает вес Солнца, то нет такой силы (по крайней мере, известной), которая бы помешала гравитационным силам сжать её.
В результате образуется так называемая сингулярность, плотность которой бесконечна, где известные законы физики перестают действовать. Гравитационная сила сингулярности настолько велика, что её границы — так называемый «горизонт событий» — не может преодолеть даже фотон, иначе говоря — свет.
Сама возможность существования чёрных дыр была (да и остаётся) настолько впечатляющей, что взволновала умы не только физиков, но и литераторов, философов и художников. Однако долгое время этот великолепный образ-миф не рассматривали как природное явление и не связывали его с реальным положением дел во Вселенной.
Первые снимки объектов, напоминающих чёрные дыры, не пролили свет на их природу и на наличие в их недрах тех самых сингулярностей. Миф о существовании искривлённого пространства-времени не был развеян.
«Пока нет прямых, очевидных (в прямом смысле слова — «видных очами») доказательств того, что чёрные дыры имеют горизонт событий или что-то похожее на сингулярность», — говорит Нейл Корниш (Neil Cornish), астрофизик Университета штата Монтана.
Теория чёрных дыр пестрит прорехами и белыми пятнами. По мнению исследователей, взявшихся встряхнуть и перевернуть один из интереснейших разделов астрофизики, это связано с тем, что Вселенная значительно отличается от той гипотетической модели, которую рассматривал Шварцшилд. Фактически это означат, что теорию Эйнштейна нужно пересмотреть с точки зрения полученных знаний в области квантовой физики, которая предписывает правила поведения элементарных частиц и полей.
Мазур и Мотолла, взявшись за теорию дыр, привлекли к анализу теорию квантовой гравитации. Они начали с вопроса: какова природа квантовых флуктуаций (колебаний) в космических, временных и энергетических полях, ведь, по сути «пустое место», каковым обыватели считают космос, на самом деле таковым никогда не являлся.
Как говорит Моттола, люди — подобно рыбе в тихой воде, никогда не задумывающейся о существовании и движении молекул воды — никогда не ощущают своего постоянного пребывания в квантовой среде.
По мнению Моттолы, квантовые флуктуации в электромагнитных полях могут оказывать воздействие на такие колоссальные объекты, как чёрные дыры. Революционность теории в том, что все предшествующие модели чёрных дыр рассматривались без такого кардинального фактора, как квантовые поля, и расчёты велись для идеальной, не существующей чёрной дыры в несуществующем бесквантовом пространство-времени.
Именно этот «нюанс», объяснимый тем, что теория устарела, загнал теорию дыр в угол и сделал загадку их существования неразрешимой, а потому и ненаучной.
Среди «белых пятен» чёрных дыр, возникших по причине неправильного понимания модели, называют теорию энтропии звезды.
Когда звезда превращается в чёрную дыру, вся уникальная информация о ней — её химическом составе, например, — сбрасывается со счетов. Современная теория чёрных дыр, которая все ещё не опровергнута, допускает, что чёрные дыры обладают колоссальным количеством энтропии — в миллиарды раз превышающей энтропию самой звезды. Никто так до сих пор не объяснил природу, источник и местонахождение этой экстра-энтропии.
Ещё одна загадка — это приписываемое чёрным дырам свойство наделять фотоны колоссальным объёмом энергии к моменту, когда фотон достигает «горизонта событий». Но в классической теории гравитационный эффект этого колоссального количества энергии игнорируется.
На схеме показаны гравитационные линии, по которым чёрная дыра (или гравастар) втягивает объекты, оказавшиеся поблизости.
Итак, гравастар Моттолы — Мазура, кажется, призвана разрешить разногласия между приверженцами теории чёрных дыр и фундаментальной физикой, устранив очевидные противоречия.
Физики-новаторы рассмотрели вероятность того, что после взрыва звезды под воздействием квантового эффекта появляется тело, имеющее принципиально иную природу, нежели дыра.
Мазур и Мотолла предположили, что когда вокруг коллапсирующей звезды формируется «горизонт событий», сильнейшее гравитационное поле деформирует квантовые колебания в пространство-времени. Эти колебания могут стать настолько мощными, что как раз они и способны производить эффект, подобный эффекту «конденсата Бозе-Эйнштейна». Этот эффект становится причиной образования чего-то наподобие «пузыря», окруженного тонкой сферой — оболочкой гравитационного поля, которая относительно статична.
Существование гравастар не противоречит известным математическим аксиомам — в отличие от чёрных дыр, по крайней мере, это касается её оболочки — природа вещества, находящегося под ней, пока неизвестна даже гипотетически. По новой теории, не существует и «горизонта событий» (вместо него — оболочка), а энтропия гравастар гораздо меньше, чем предполагаемая энтропия чёрных дыр.
Учёные предлагают рассмотреть модель гравастар, масса которой в 50 раз превышает массу Солнца. Подобно «горизонту событий» сопоставимой по размеру чёрной дыры, диаметр оболочки гравастар будет 300 километров, однако её «толщина» будет приблизительно 10-35 метров. Чайная ложка вещества, составляющего его, будет весить 100 миллионов тонн.
Также отмечается, что теория гравастар поможет по-новому рассмотреть проблему расширяющейся Вселенной. Большинство астрофизиков считает, что Вселенная расширяется благодаря некоей мистической «тёмной энергии», которая создает идущее вовне давление.
По мнению Моттолы, давление, идущее изнутри гравастар, сопоставимо с силой, с которой расширяется Вселенная. Можно предположить, что Вселенная представляет собой одну большую гравастар, «поймавшую в ловушку» Млечный Путь и другие видимые галактики. То есть, все небесные тела помещены в некое тело, имеющее оболочку.
О том, не значит ли это, что наша Вселенная как раз и находится в зоне искривления пространства-времени, исследователи говорить, видимо, остерегаются.