Многие физики, основываясь на общей теории относительности, полагают, что в центре черной дыры есть сингулярность — область пространства-времени, в которой формально сосредоточена вся масса объекта. Она окружена горизонтом событий, делающим внутреннюю часть космического «монстра» недоступной для наблюдений.
Но можно ли «убрать» эти компоненты из уравнения? Так поступили авторы нового исследования, представив альтернативные модели черных дыр без сингулярности и в ряде случаев горизонта событий.
Классическая модель черных дыр, предполагающая наличие сингулярности в их центрах, основана на решении уравнений Эйнштейна, предложенном в 1916 году немецким физиком и астрономом Карлом Шварцшильдом. В нем черная дыра не имеет ни электрического заряда, ни углового момента, то есть не вращается. Но возникает проблема: из-за наличия сингулярности невозможно проследить эволюцию материи, попавшей внутрь. Это указывает на неполноту стандартной трактовки общей теории относительности, которая «ломается» в столь экстремальных условиях.
Вот почему некоторые ученые считают, что физически реалистичная теория гравитации должна устранять сингулярности, заменяя их на конечные структуры — например, на область высокой, но ограниченной плотности, или на переход в другой регион пространства-времени. В некоторых моделях горизонт событий можно заменить на временный или полностью его устранить.
В ноябре 2024 года в Институте фундаментальной физики Вселенной (Италия) состоялась научная конференция, посвященная обсуждению несингулярных (альтернативных) моделей черных дыр. По ее итогам международная исследовательская группа подготовила обзор, в котором систематизировала современные подходы и выделила два ключевых класса объектов: так называемые регулярные черные дыры (regular black holes) и имитаторы черных дыр (black hole mimickers).
Регулярные черные дыры сохраняют такие внешние характеристики классических объектов, как горизонт событий, но «теряют» сингулярность за счет внутренней геометрии: в их центре может располагаться ядро с конечной плотностью или структура, напоминающая червоточину. Горизонт событий при этом может быть нестабильным или временным.
Имитаторы, напротив, не содержат ни горизонта событий, ни сингулярности и представляют собой ультракомпактные, но устойчивые астрофизические объекты, такие как гипотетические гравастары или проходимые червоточины. Внешне они могут напоминать черные дыры, но отличаются по внутреннему устройству.
Несмотря на теоретическую привлекательность альтернативных моделей, их экспериментальное подтверждение — задача невероятно сложная. Современные данные — включая «фотографии» сверхмассивных черных дыр и сигналы гравитационных волн — пока не позволяют надежно отличить классические черные дыры от их теоретических аналогов.
Сделать это, по мнению авторов статьи, можно, отслеживая эхосигналы в гравитационных волнах (возникают при слиянии компактных объектов) и анализируя излучение падающего вещества — в том числе нестандартные всплески, временные задержки и изменения в поляризации света. Текст научной работы, принятой к публикации в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, представлен на сервере препринтов Корнеллского университета.
Рассматривать полученные результаты как готовую теорию не стоит, однако как направление для будущих исследований — вполне: регулярные черные дыры и имитаторы — это не просто математические альтернативы, а попытка переосмыслить природу пространства, времени и материи в экстремальных гравитационных условиях. Такие конструкции, по мнению физиков, могут сыграть ключевую роль в построении полной теории квантовой гравитации.