Пятимерная чёрная дыра бросает вызов общей теории относительности

Вот уже сто лет представления учёных об устройстве Вселенной основываются на общей теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой гравитация представляет собой искривление материей пространственно-временного континуума. Это положение позволяет оценивать возраст звёзд и с уверенностью полагаться на системы глобального позиционирования и навигации.

Казалось бы, за столь долгий срок расчёты великого физика должны были выдержать все вызовы. Однако во Вселенной есть места, где общая теория относительности перестаёт действовать. Сингулярность – область внутри чёрной дыры, где гравитация настолько велика, что все наши представления о пространстве, времени и законах физики рушатся.

Чёрные дыры стали для физиков настоящим кошмаром, и единственным утешением служит то, что они скрываются за горизонтом событий, из пределов которого не может вырваться ничего, включая свет и радиоволны, а следовательно, их крайне сложно изучить. Получается, что чёрные дыры фактически вырезаны из нашей Вселенной "космической цензурой", и многие учёные предлагают просто не обращать на них внимания, как на несуществующие для любых практических целей объекты.

"Гипотеза "космической цензуры" гласит, что пока сингулярность остаётся скрытой за горизонтом событий, она не вступает в противоречие с общей теорией относительности, – говорит в пресс-релизе один из авторов нового исследования Маркус Кунеш (Markus Kunesch) из Кембриджского университета. – До тех пор пока действует эта гипотеза, можно смело предсказать будущее Вселенной за пределами чёрных дыр, что мы и пытаемся сделать в физике в настоящее время".

Но если предположить, что сингулярность может существовать за пределами горизонта событий, она будет представлять собой объект, стремящийся к бесконечной плотности, который можно будет наблюдать со стороны. И пока телескопы не наблюдают ничего подобного в окрестностях нашей галактики, физики-теоретики предположили, что такая "голая сингулярность" может скрываться в неизвестных нам измерениях.

"Если окажется, что голая сингулярность существует, это полностью разрушит общую теорию относительности, потому что она потеряет всякую предсказательную силу и не сможет более объяснять устройство Вселенной", – говорит другой соавтор работы Саран Туниасувунакул (Saran Tunyasuvunakool).

Теория Эйнштейна ничего не говорит о том, в скольких измерениях существует наша Вселенная. Мы воспринимаем окружающий мир в трёх измерениях, которые в дополнении с четвёртой величиной – временем, образуют полотно пространство-времени, колебания которого поймали детекторы обсерватории LIGO. Но, например, согласно теории струн, может существовать до 11 измерений, одни из которых проявляют себя в масштабах космоса, а другие находятся на квантовом уровне и могут быть обнаружены только в экспериментах с очень высокими энергиями, как те, что проводятся на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.

Кунеш, Туниасувунакул и их коллеги с помощью суперкомпьютера COSMOS смоделировали, как чёрная дыра будет вести себя в пятимерном пространстве. Такие объекты уже были описаны теоретиками в 2002 году, но только сейчас их динамика была исследована на модели.


Учёные обнаружили, что в большинстве случаев такая чёрная дыра представляет собой сферу, окружённую горизонтом событий, и ничем не отличается от тех, что существуют в нашей Вселенной. Но иногда на ранних стадиях формирования образуется тонкое "чёрное кольцо". Эта структура крайне нестабильна и чаще всего должна сворачиваться всё в ту же сферу. Но если кольцо очень тонкое, на отдельных его участках будут расти более плотные выпуклости. В конечном итоге перемычки между этими сгустками порвутся, и кольцо распадётся на несколько небольших чёрных дыр без горизонта событий, которые и будут представлять собой видимую "голую сингулярность".

Если такая модель может реализоваться в реальном мире, и учёные когда-нибудь смогут наблюдать объект, сжимающийся к бесконечной плотности, это нарушит всё наши представление об устройстве Вселенной, потому что в физике, если оказывается неверным один закон, он тянет за собой все остальные.

Исследователи склоняются к мнению, что теория "космической цензуры" верна для нашего четырёхмерного пространства-времени. Но если она будет опровергнута в других измерениях, потребуется альтернативная гипотеза, объясняющая устройство Вселенной. И одним из кандидатов на пост Теории всего является теория квантовой гравитации, которая хоть и не объясняет сингулярность, но дарует нам новую физику, которая гораздо точнее описывает сингулярность, чем расчёты Эйнштейна.