Ами ако черните дупки не съществуват? Астрофизиците търсят начини да избегнат сингулярността

Виждали сме техните изображения. Регистрирахме гравитационните вълни – пулсации в пространство-времето от сливането на два свръхмасивни обекта. Черните дупки, някога само хипотетични модели, се превърнаха в наблюдаеми обекти благодарение на съвременните технологии. Но разбираме ли какво наистина виждаме?

Това е мястото, където съвременната астрофизика попада в задънена улица. Да, обектите, които наричаме черни дупки, съществуват. Те се подчиняват на предвижданията на общата теория на относителността на Айнщайн с много висока степен на точност. Същата теория обаче, описвайки вътрешната им структура, ни води до, както изглежда, логически невъзможно явление – сингулярността.

Сингулярността: точката, в която физиката се разпада

Нека разгледаме класическия модел на черната дупка. Той се състои от два основни елемента. Първият е хоризонтът на събитията, невидимата граница, точката, от която няма връщане назад. Ако тя бъде пресечена, гравитационното привличане става толкова силно, че нищо, дори светлината, не може да се върне обратно.

Вторият елемент е това, което се намира отвъд хоризонта. Според уравненията на Айнщайн цялата маса на обект, компресиран от гравитацията, попада в една точка с безкрайна плътност и нулев обем – това е сингулярността.

Можете ли да си представите такова нещо? Наистина – в науката „безкрайността“ почти винаги е предупредителен знак, че дадена теория е непълна. То не описва реален физически обект, а по-скоро посочва неговите граници.

Вариант едно: черна дупка, но без този абсурд

Ако сингулярността е задънена улица, логично е да се намери начин да се заобиколи, без да се разрушава цялата идея за черната дупка. Така се ражда идеята за регулярните черни дупки.

Да предположим, че във Вселената има друга сила, която не ни е известна. Тя действа само в условия на много висока плътност – като тези в колапсираща звезда – и се противопоставя на гравитацията, като не позволява на материята да се свие в безкрайно малка точка. Вместо сингулярност в централната част на черната дупка се появява ядро от свръхплътна материя, а хоризонтът на събитията остава.

Как да проверим дали всички промени се случват зад непробиваемия хоризонт на събитията? Отговорът е да се търсят малки изкривявания, които тази нова вътрешна структура създава в пространството извън хоризонта. Астрономите разполагат с два начина да направят това.

• Фотонен пръстен. Точно на ръба на хоризонта на събитията се намира място, където гравитацията е толкова силна, че може да улови светлината във временна орбита. Фотоните могат да направят няколко кръга около черната дупка, преди да отлетят. Заедно те създават тънък, ярък пръстен от светлина. Общата теория на относителността предсказва размера и формата на този пръстен много точно и дори малко отклонение от прогнозата, би било пряка индикация за новата физика във вътрешността. Телескопът Event Horizon Telescope (EHT) вече е наблюдавал този пръстен, но засега неговата разделителна способност не му позволява да забележи малките аномалии. Бъдещи проекти, като космическия телескоп BHEX, могат да осигурят необходимата прецизност.
• Сянката на черната дупка. Черната дупка създава „сянка“ – тъмен силует на фона на ярката материя около нея. Нейният размер също е строго определен от уравненията на Айнщайн. Измерването на тази сянка с висока точност е друг начин да се провери дали има отклонения от стандарта. Досега наблюденията на Стрелец А*, нашата свръхмасивна черна дупка, не успяха нито да потвърдят, нито да отхвърлят повечето модели на обикновените черни дупки. Точността на сегашните технологии все още е недостатъчна.

Втори вариант: няма никакъв хоризонт на събитията

Съществува напълно различен подход. Ами ако проблемът е както в сингулярността, така и в самия хоризонт на събитията? Ами ако той изобщо не съществува? В този случай говорим не за изменена черна дупка, а за съвсем друг клас обекти – „имитатори“ или „самозванци“.

Тези хипотетични обекти отдалеч изглеждат и се държат почти като черни дупки. Те са масивни, компактни и привличат материята. Но вместо хоризонт на събитията те имат някаква повърхност. Теоретиците са предложили няколко вида такива обекти:

• Гравистари – мехурчета от отблъскваща тъмна енергия, които са заобиколени от тънка обвивка от обикновена материя.
• Фузболите са предсказаните от теорията на струните „плетеници“ от елементарни струни.
• Бозонните звезди – огромни структури от хипотетични бозонни частици.

Единствената съществена разлика е, че те имат повърхност. А щом има повърхност, трябва да има начин да я открием. И този начин са гравитационните вълни.

Когато две обикновени черни дупки се слеят, те излъчват ясен, нарастващ сигнал, който детекторите на LIGO записват като нещо подобно на „чирп“. След сливането всичко спира. Но ако два обекта с повърхности се слеят, моделът би трябвало да е различен. Гравитационните вълни от сливането ще се отразят от тези повърхности, създавайки поредица от избледняващи отзвуци след основния „чирп“.

Търсенето на такива ехо-сигнали вече е в ход, но засега без категорични резултати. Има някои намеци, но повечето анализи показват само шум. Може би сигналът е много слаб. Или пък теоретичните модели на ехото са погрешни и ние търсим грешен сигнал.

Каква е равносметката?

И така, учените разглеждат три основни варианта, всеки от които има своите особености и най-лошото е, че всички те генерират същности, които на сегашния етап на развитие на технологиите не можем нито да тестваме, нито да обясним.

Първият вариант е, че новата физика действа отвъд хоризонта на събитията. За да проверим това, се нуждаем от по-точни телескопи, способни да забелязват малките отклонения от предвижданията на теорията на Айнщайн. Вторият вариант е, че черните дупки всъщност са обекти без хоризонт. Те биха могли да бъдат открити чрез намиране на ехо в гравитационните вълни.

Третият вариант е, че няма нова физика и сингулярностите са реални. Ако това е вярно, възникват два големи проблема. Първо, това означава, че информацията за материята, попадаща в черна дупка, е напълно унищожена, а това противоречи на един от основните принципи на съвременната физика. Второ, това означава, че във Вселената има места, където познатите ни закони просто спират да действат и ние не можем да опишем какво се случва там.