Чорна діра може "виплюнути" саму себе: що утвориться на її місці

Чорні діри вважають одними з найбільш стабільних і загадкових об’єктів у Всесвіті. Однак нове теоретичне дослідження показало, що за певних умов навіть така система може виявитися нестабільною та змінити свою структуру.

Про це пише ScienceAlert.

Фізики з Університету Авейру в Португалії — Жозе Феррейра, Карлос Ердерой, Еуген Раду та Мігель Зіляу — за допомогою чисельного моделювання досліджували так звані «волосаті» чорні діри. Вони дійшли висновку, що така система може мати щонайменше два різні шляхи розвитку.

Що таке «волосата» чорна діра

За стандартною загальною теорією відносності чорні діри можна описувати невеликою кількістю параметрів, зокрема масою та обертанням. Але математичні моделі допускають існування додаткових властивостей, які умовно називають «волоссям» чорної діри.

В одному з досліджених фізиками варіантів це «волосся» являє собою скалярне поле — невидиме середовище, що пронизує простір. У термінах фізики частинок його можна описувати як сукупність частинок без спіну.

За певних умов скалярне поле здатне сформувати щільну структуру навколо чорної діри. Воно не просто існує поруч із нею, а становить значну частину всієї системи та створює власне потужне гравітаційне поле.

Чому чорна діра не поглинає своє «волосся»

На перший погляд, таке поле мало б просто впасти за горизонт подій. Однак у змодельованій системі працює особливий резонансний механізм, який дає змогу скалярному полю та горизонту чорної діри залишатися в певній рівновазі.

Початкові моделі створювали в умовах сферичної симетрії. Це означає, що система мала поводитися однаково в усіх напрямках, що значно спрощувало розрахунки, але не дозволяло їй стати асиметричною.

Коли дослідники дозволили системі розвиватися нерівномірно в різних напрямках, вони виявили нестабільність. Саме вона й стала ключем до незвичайного сценарію, який фізики назвали fission, тобто поділом.

Чорна діра може «виплюнути» себе

Учені розглянули два можливі варіанти розвитку нестабільності. Перший вони назвали поглинанням: рівновага руйнується, чорна діра поглинає навколишнє скалярне поле, а в результаті залишається звичайна чорна діра без «волосся».

Другий можливий розвиток подій виявився значно дивнішим. Система, що складається з чорної діри та скалярного поля, може розділитися на два самостійні об’єкти.

«У сценарії, який ми називаємо „поділом“, ні чорна діра, ні навколишня скалярна структура не знищуються. Натомість складений об’єкт розділяється на два незалежно життєздатні об’єкти: чорну діру без „волосся“ та самогравітуючу грудку скалярної матерії — бозонну зорю», — пояснили дослідники.

У змодельованому процесі достатньо навіть невеликого збурення, щоб чорна діра змістилася від центру скалярної структури. Після цього вона вже не повертається до початкового стану, а поступово віддаляється, доки буквально не виходить назовні.

Скалярне поле при цьому не розпадається і продовжує існувати окремо у вигляді бозонної зорі. Сама чорна діра залишається, але втрачає своє «волосся».

Що таке бозонна зоря

Бозонна зоря — гіпотетичний космічний об’єкт, якого поки що не вдалося спостерігати. На відміну від звичайних зір, така структура могла б складатися з бозонного поля та існувати без поверхні й горизонту подій.

Саме тому дослідники розглядають систему як два об’єкти, які можуть певний час бути пов’язані між собою, але за певних умов здатні існувати незалежно.

Від того, наскільки компактним є скалярне «волосся», залежить імовірний результат. Щільніші конфігурації більше схильні до поглинання, тоді як менш компактні легше переходять у процес поділу.

Чи справді чорні діри можуть так поводитися

Поки що говорити про реальне «випльовування» чорних дір рано. Автори дослідження підкреслюють, що їхня модель є насамперед теоретичною і не описує безпосередньо типові астрофізичні чорні діри.

Проблема, зокрема, у тому, що запропонований механізм залежить від звичайного електричного заряду. Науковці вважають, що реальні астрофізичні чорні діри повинні мати дуже малий сумарний заряд.

Тому дослідники не стверджують, що змодельовані ними системи вже існують у космосі. Вони припускають, що виявлений механізм може бути проявом ширшого явища, яке в майбутньому вдасться описати й у більш реалістичних моделях.

Одним із напрямків подальших досліджень стане перевірка того, чи здатне обертання чорної діри відігравати роль, подібну до електричного заряду, в інших моделях «волосатих» чорних дір.

Цей процес можна було б почути

Якщо подібна нестабільність виявиться можливою для реальних астрофізичних систем, вона потенційно могла б залишати характерний слід у вигляді гравітаційних хвиль.

Учені очікують, що такий поділ мав би породжувати сигнал, який відрізняється від хвиль, що виникають під час злиття двох чорних дір. Проте визначити точну форму такого сигналу та з’ясувати, чи зможуть сучасні детектори його зареєструвати, ще належить.

Чорні діри та дивні космічні явища — останні новини

Чорні діри дедалі частіше змушують переглядати уявлення про те, як поводяться найекстремальніші об’єкти Всесвіту. Нещодавно астрономи знайшли надмасивну чорну діру, яка перевищила межу Еддінгтона — теоретичний ліміт швидкості, з якою чорна діра може поглинати матерію.

Ще одна знахідка стосувалася центральної чорної діри нашої галактики. Спостереження за Стрільцем A* показали, що вона не знищує всі зорі поблизу себе, як можна було б припустити з огляду на її колосальне тяжіння: деякі об’єкти роками зберігають стабільні орбіти.

А ще фізики продовжують шукати відповіді на питання, як взагалі народжуються такі об’єкти. Нова математична модель пояснює утворення чорних дір через колапс кристалів простору-часу і допускає сценарій, за якого для появи чорної діри не обов’язково потрібна загибель масивної зорі.