Удивительное поведение черных дыр в расширяющейся Вселенной

Физик, исследующий черные дыры, обнаружил, что в расширяющейся Вселенной уравнения Эйнштейна требуют, чтобы скорость расширения Вселенной на горизонте событий каждой черной дыры была постоянной, одинаковой для всех черных дыр. В свою очередь, это означает, что единственная энергия на горизонте событий — это темная энергия, так называемая космологическая постоянная. Исследование опубликовано на arXiv сервер препринтов.

«В противном случае, — сказал Никодем Поплавский, заслуженный преподаватель Университета Нью-Хейвена, — давление материи и кривизна пространства-времени должны были бы быть бесконечными на горизонте, но это нефизично».

Черные дыры — увлекательная тема, потому что речь идет о самых простых вещах во Вселенной: их единственными свойствами являются масса, электрический заряд и угловой момент (спин). Однако их простота порождает фантастическое свойство — у них есть горизонт событий на критическом расстоянии от черной дыры, а вокруг нее — нефизическая поверхность, в простейших случаях сферическая. Все, что находится ближе к черной дыре, то есть внутри горизонта событий, никогда не сможет покинуть черную дыру.

Черные дыры были предсказаны в 1916 году Карлом Шварцшильдом, когда он служил немецким солдатом на русском фронте и страдал от болезненного аутоиммунного заболевания кожи – пузырчатки.

Используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, он предположил наличие массивного, невращающегося, идеально круглого объекта в пустой и неизменной Вселенной и открыл горизонт событий. Радиус горизонта событий пропорционален массе черной дыры. Внутри горизонта даже свет, самый быстрый объект во Вселенной, не может выбраться из дыры.

Шварцшильд также обнаружил кажущуюся сингулярность в центре черной дыры, месте бесконечной плотности, где, по-видимому, нарушаются законы гравитации Эйнштейна.

С тех пор астрономы обнаружили, что большинство галактик имеют в центре сверхмассивную черную дыру; для Млечного Пути это Стрелец А*, масса которого более чем в четыре миллиона раз превышает массу Солнца. Только в 2019 году удалось непосредственно сфотографировать черную дыру — черное пятно с ореолом света вокруг него, расположенное в центре галактики Мессье 87, в 55 миллионах световых лет от Земли.

Выйдя за рамки Шварцшильда, Поплавский предположил наличие массивного центрально-симметричного объекта в расширяющейся Вселенной. При этом решение уравнений Эйнштейна о структуре пространства-времени вокруг массы было впервые получено в 1933 году британским математиком и космологом Джорджем МакВитти.

МакВитти обнаружил, что вблизи массы пространство-время похоже на пространство-время Шварцшильда с горизонтом событий, но вдали от массы Вселенная расширяется, как наша Вселенная сегодня. Параметр Хаббла, также называемый постоянной Хаббла, определяет скорость расширения Вселенной.

Поплавский использовал решение МакВитти, чтобы обнаружить, что скорость расширения пространства на горизонте событий должна быть константой, связанной только с космологической постоянной (которую можно интерпретировать как плотность энергии вакуума пространства-времени). Сегодня мы знаем это как плотность темной энергии. То есть единственная энергия на горизонте — это темная энергия. Следствием этого, по его словам, является то, что разные части Вселенной расширяются с разной скоростью.

Фактически, нечто подобное было обнаружено с так называемым «напряжением Хаббла», статистически значимым расхождением между двумя различными измеренными значениями параметра Хаббла, в зависимости от того, используются ли измерения «поздней вселенной» или методы «ранней вселенной», основанные на измерениях космического микроволнового фона. В своей работе Поплавский сказал, что это расхождение «является естественным следствием правильного анализа пространства-времени черной дыры в расширяющейся Вселенной в рамках общей теории относительности Эйнштейна».

Более того, его уравнения показывают, что следствием расширения Вселенной с разной скоростью является то, что космологическая постоянная – и, следовательно, значение темной энергии – должна быть положительной. В противном случае, без этой константы, сказал Поплавский, «замкнутая Вселенная была бы колебательной и не могла бы создавать космические пустоты».

«Это самое простое объяснение наблюдаемого текущего ускорения Вселенной».

Скажем, для звезды Вселенная также расширяется на границе своей поверхности, но тело не расширяется, поскольку оно связано гравитационно и электромагнитно.

Горизонт событий, однако, является математически-абстрактной вещью, не чем-то, сделанным из материи или энергии, а просто из точек пространства, так что постоянная скорость расширения пространства там неудивительна. Сам горизонт событий (и, следовательно, черная дыра) не расширяется; точки пространства за пределами горизонта удаляются от него.

Настоящие черные дыры вращаются, но если вращение обычно медленное, выводы Поплавского с хорошим приближением должны быть применимы и к ним. Но измерение параметра Хаббла на горизонте событий в настоящее время невозможно, если не будут разработаны новые методы.

Наблюдатель на горизонте событий в принципе мог бы измерить там параметр Хаббла, но был бы навсегда неспособен сообщить его значение остальной части Вселенной, поскольку он падает за горизонт событий, и никакая информация не может быть отправлена ​​обратно через него.

По словам Поплавски, это связано с гипотезой, которую он опубликовал в 2010 году: каждая черная дыра на самом деле является червоточиной (мостом Эйнштейна-Розена) в новую вселенную по другую сторону ее горизонта событий.

«Горизонт событий — это дверь из одной вселенной в другую», — сказал он. «Эта дверь не растет с расширением вселенной… Если это происходит для горизонта событий черной дыры, образующей вселенную, это должно работать и для горизонтов событий других черных дыр в этой вселенной».

© 2024 Сеть Science X