Эта «звезда» из теории струн выглядит и действует точно так же, как черная дыра

Чёрные дыры, предсказанные более века назад как чудовищные концентрации массы, которые истязают ткань Вселенной в ловушки света и информации, теперь являются объектами фактов.

Но может ли любое искажение света мы теперь сталкиваемся с подтвержденной концентрацией бесконечной плотности, или мы должны оставить место для возможности того, что другие экзотические виды космических странностей также могут выглядеть сверхъестественно как дыра в космосе?

Используя математическое моделирование, сохраненное для Теория струн, трио физиков из Университета Джона Хопкинса в США обнаружили, что некоторые объекты, которые издалека выглядят как черные дыры, вблизи могут быть чем-то совершенно другим: новым типом гипотетической экзотической звезды, называемой топологическим солитоном.

Учитывая, что теория струн является гипотезой, требующей средства для проверки, эти странные объекты существуют только на бумаге, плавая в царстве чистой математики. По крайней мере, насколько нам известно. Но даже в качестве теоретической конструкции они могли бы однажды помочь нам отличить настоящие черные дыры от самозванцев.

«Как бы вы отличили, что у вас нет черной дыры? У нас нет хорошей способ проверить это», — говорит физик Ибрагима Бах. «Изучение гипотетических объектов, таких как топологические солитоны, поможет нам понять это».

Черные дыры, возможно, являются самыми загадочными известными объектами во Вселенной. Черт возьми, у нас даже не было конкретного подтверждения их существования до первого обнаружения гравитационных волн в 2015 году, менее 10 лет назад. Это потому, что черные дыры настолько плотны, что их гравитация искажает пространство-время вокруг них до такой степени, что в пределах определенного расстояния, известного как горизонт событий, ничто во Вселенной не может достичь скорости убегания. Даже свет в вакууме.

Это означает, что черные дыры не излучают свет, который мы в настоящее время можем обнаружить, что делает их невидимыми; и, поскольку свет является основным инструментом в нашем наборе для понимания Вселенной, мы действительно можем узнать о них, только изучая пространство вокруг них.

Сама черная дыра математически описывается как одномерная точка бесконечной плотности — что-то, что само по себе не приравнивает ничего значимого в физике.

Но мы также можем представить другие причудливые проявления физики, ведущие себя подобным образом. Одним из примеров являются бозонные звезды, гипотетические объекты, которые прозрачны и поэтому невидимы, как и черные дыры.

Теперь небольшая группа под руководством физика Пьера Хайдмана обнаружила, что топологические солитоны представляют другой. Это своего рода гравитационные перегибы в четырехмерном пространстве-времени, предсказанные теорией струн, в которых мельчайшие элементы Вселенной представляют собой не пиксельные точки, а крошечные вибрирующие струны.

На расстоянии область, окружающая эти перегибы, не выделяется чем-то необычным. Однако вблизи топология пространства сильно искажена.

Команда построила свой топологический солитон математически, а затем подключила свои уравнения к моделированию, чтобы посмотреть, как он будет себя вести. Они наложили симуляции на реальные картины космоса, чтобы получить наиболее точное представление о том, как будет вести себя их конструкция.

Издалека топологический солитон выглядел в точности как черная дыра, свет которой, казалось, поглощался.

Однако при более близком расположении топологический солитон становился странным. Он вовсе не улавливал свет, как черная дыра, а скремблировал его и излучал повторно.

«Свет сильно искривлен, но вместо того, чтобы поглощаться, как в черной дыре, он рассеивается причудливыми движениями, пока в какой-то момент не возвращается обратно. вам в хаотичном порядке», — говорит Хайдманн. «Вы не видите темного пятна. Вы видите много размытия, что означает, что свет как сумасшедший вращается вокруг этого странного объекта».

Теория струн — это попытка разрешить долгое и неприятное напряжение в физика: между квантовой механикой, описывающей поведение вещей в очень малых масштабах, и общей теорией относительности, описывающей более крупные масштабы. Квантовая механика разбивается на шкале относительности, и наоборот, что бесконечно беспокоит физиков, потому что они должны хорошо сочетаться друг с другом.

Объединенная теория двух, что мы называем квантовой гравитацией, оказалась неуловимой. Топологический солитон – это первый объект, основанный на теории струн, который соответствует поведению черной дыры и демонстрирует, что объекты квантовой гравитации можно использовать для описания физики реального мира.

«Это первое моделирование астрофизически значимые объекты теории струн, поскольку мы можем фактически охарактеризовать различия между топологическим солитоном и черной дырой, как если бы наблюдатель видел их в небе», — объясняет Хайдманн.

Мы не ожидаем увидеть их в небе, конечно, но исследование возможностей могло бы помочь ученым лучше понять противоречие между квантовой механикой и общей теорией относительности, в надежде однажды привести нас к решению.

«Это начало замечательная исследовательская программа», — говорит Бах. «Мы надеемся, что в будущем сможем действительно предложить новые типы ультракомпактных звезд, состоящих из новых видов материи из квантовой гравитации».

Исследование было принято в Physical Review D.