Екстремальні чорні діри мають волосся, яке можна розчесати

При вивченні екстремальних чорних дір виявлено ще одну величину, якою можна охарактеризувати чорну діру, окрім як за масою, спіном та зарядом, і яку потенційно можна виміряти -- "гравітаційне волосся".

Про це розповідають в Університеті Род-Айленда, США.

Чорні діри вважаються одними з найзагадковіших об′єктів у Всесвіті. Частина їхньої інтриги виникає через те, що чорна діра фактично є одним з найпростіших рішень рівнянь із загальної теорії відносності Ейнштейна.

Насправді чорні діри можуть бути повністю охарактеризовані лише трьома фізичними величинами: масою, спіном і зарядом. Оскільки вони не мають додаткових «волохатих» атрибутів для їх розрізнення, кажуть, що чорні діри не мають «волосся» -- чорні діри однакової маси, обертання та заряду абсолютно ідентичні одна одній.

Професор Гаурав Ханна з Університету Род-Айленда і Массачусетського університету в Дартмуті разом зі своїм колишнім студентом доктором Субіром Сабхарвалом у співпраці з доктором Ліором Бурко з Theiss Research виявили, що особливий тип чорної діри порушує унікальність чорних дір, так звану теорему "безволосся". Зокрема, команда вивчала екстремальні чорні діри -- діри, які "насичені" максимальним зарядом або спіном, які вони можуть нести.

Вчені виявили, що існує величина, яку можна вибудувати з кривизни простору-часу на горизонті подій чорної діри, яка зберігається і є вимірюваною для віддаленого спостерігача. Оскільки ця величина залежить від того, як була утворена чорна діра, а не тільки від трьох класичних атрибутів, вона порушує унікальність чорної діри.

Ця величина являє собою "гравітаційне волосся" і потенційно може бути виміряна існуючими та майбутніми обсерваторіями гравітаційних хвиль, такими як LIGO та LISA. Структура цього нового волосся слідує за розвитком подібної величини, яку виявили Анджелопулос, Аретакіс та Гаїч у контексті більш простої "іграшкової" моделі, яка використовує скалярное поле та сферичні чорні діри, і поширює її на гравітаційні збурення чорної діри, що обертається.

"Цей новий результат є дивовижним, - каже Бурко - тому, що теореми унікальності чорних дір добре визначені, і, зокрема, їх поширення на екстремальні чорні діри. Повинно бути припущення про те, що умови теорем не задовольняються, щоб пояснити, як ці теореми не застосовуються в даному випадку".

Дійсно, команда продовжила попередню роботу Аретакіса, яка виявила, що, хоча зовнішні збурення екстремальних чорних дір розпадаються, як це відбувається і для звичайних чорних дір, уздовж горизонту подій певні поля збурень розвиваються у часі нескінченно.

"Теореми з унікальністю передбачають незалежність від часу. Але феномен Аретакіса явно порушує незалежність від часу вздовж горизонту подій. Це лазівка, через яку волосся може вискакувати і бути розчісаним на великій відстані обсерваторією гравітаційних хвиль", - сказав Бурко.

На відміну від інших робіт, які виявили волосся в скаляризації чорних дір, Бурко зазначив, що "в цій роботі ми працювали з теорією вакууму Ейнштейна, без додаткових динамічних полів, які модифікують теорію і які можуть порушити Принцип сильної еквівалентності".

Команда використовувала дуже інтенсивні числові моделювання для отримання своїх результатів. Моделювання проводилися з використанням десятків паралельно підключених графічних процесорів найвищого класу Nvidia із понад 5000 ядер у кожному. "Кожен із цих графічних процесорів може виконувати до 7 трильйонів обчислень на секунду; однак, навіть за такої обчислювальної потужності, моделювання виглядає, як на багато тижнів", - сказала Ханна.

З огляду на проривний характер цієї роботи, вона щойно була опублікована в одному з найкращих рецензованих журналів з фізики "Physical Review D" як високостатусна стаття. Стаття доступна також онлайн.

Дослідження частково фінансували Національний науковий фонд та Управління морських досліджень США. Для дослідницької роботи були використані обчислювальні ресурси Центру наукових обчислень та візуалізації Массачусетського університету в Дартмуті.

Читайте ще цікаві новини про космос.