Черные дыры — интригующие космические области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не в силах даже кванты самого света. Ученые из Лейпцигского университета недавно провели исследование, в котором предсказали увеличение заряда черной дыры из-за внутренних квантовых токов. Результаты их анализа опубликованы в Physical Review Letters.
Согласно общей теории относительности, если черная дыра электрически заряжена, то ее внутренняя часть напоминает свойствами горизонт событий Своеобразная сферическая граница, на которой достигается баланс между силой гравитационного поля и усилиями света, пытающегося покинуть черную дыру. Если пересечь горизонт событий, то вырваться оттуда уже невозможно.
«Если черная дыра электрически заряжена или вращается, ее внутренняя часть имеет интересную особенность: внутри черной дыры есть поверхность со свойствами, напоминающими свойства горизонта событий (т. е. внешнего края) черной дыры. Поэтому она называется внутренним горизонтом», — пояснила Кристиана Кляйн, одна из соавторов исследования.
Работа ученых предполагает, что на внутреннем горизонте заряженной черной дыры квантовый заряженный ток может быть положительным или отрицательным. Все потому, что вблизи сингулярности квантовые эффекты преобладают над ньютоновской физикой, но ведут себя иначе, чем в обычных условиях.
Согласно теории, внутренняя поверхность является границей, при пересечении которой нарушается детерминизм — невозможно предсказать свойства пространства-времени на основе знания о состоянии Вселенной в какой-то момент в прошлом, который физики называют «исходными данными». Эта способность предсказывать пространство-время известна как детерминизм. Иными словами, путешествие наблюдателя, пересекающего внутренний горизонт, больше не будет определяться начальными данными.
Британский физик и математик Роджер Пенроуз предсказал, что на самом деле вблизи внутреннего горизонта пространство-время искривляется настолько сильно, что любой наблюдатель будет уничтожен при приближении, превращая внутренний горизонт в сингулярность.
«Эта идея называется гипотезой «сильной космической цензуры». В литературе изучались различные виды черных дыр с внутренними горизонтами и различными возмущениями исходных данных, чтобы проверить эту гипотезу и определить силу сингулярности на внутреннем горизонте», — отметили ученые.
Новые исследования показали, что в заряженных черных дырах расширяющейся Вселенной сингулярность может быть достаточно слабой для того, чтобы ее можно было пересечь.
«Оказалось, что достаточно близко к внутреннему горизонту квантовые эффекты доминируют над классическими эффектами и достаточно сильны, чтобы превратить внутренний горизонт в сильную сингулярность», — отметила Кляйн.
Поскольку электрически заряженная черная дыра может образоваться только из электрически заряженного вещества, Кляйн и ее коллеги решили специально изучить электрически заряженную квантовую материю. Одним из основных наблюдаемых признаков этого типа материи является производимый ею электрический ток. Поэтому исследователи попытались определить, как этот ток будет вести себя вблизи внутреннего горизонта черной дыры.
«В предыдущих исследованиях утверждалось, что такие токи в основном связаны с самопроизвольным созданием противоположно заряженных частиц внутри черной дыры, которые затем ускоряются в противоположных направлениях. Это привело бы к разрядке области черной дыры за внутренним горизонтом», — заявила Кляйн.
В своей недавней работе исследователи рассмотрели пространство-время, описывающее расширяющуюся Вселенную с заряженной черной дырой внутри. Команда обнаружила, что доминирующий вклад в электрический ток, порождаемый квантовыми эффектами на внутреннем горизонте может быть как положительным, так и отрицательным (в зависимости от параметров пространства-времени и квантового поля).
При параметрах очень близких к максимально допустимому заряду черной дыры, ток всегда стремится уменьшить заряд внутреннего горизонта. В то же время, квантовые эффекты могут вести себя иначе вблизи внутреннего горизонта черной дыры, чем на горизонте событий, где, как ожидается, они уменьшат заряд.
Ранее в NASA сообщили про обнаружение черный дыры, способствующей звездообразованию. С помощью космического телескопа «Хаббл» астрофизики заметили в карликовой галактике Henize 2-10 «мост» из горячего газа между черной дырой массой около миллиона солнечных и соседней областью звездообразования, расположенной в 230 световых годах от нее. Henize 2-10 находится в 30 млн световых лет от Земли.