Изображение предоставлено: изображение, созданное AI
Физик, изучающий черные дыры, обнаружил, что в расширяющейся Вселенной уравнения Эйнштейна требуют, чтобы скорость расширения Вселенной была постоянной на горизонте событий каждой черной дыры, то есть одинаковой для всех черных дыр. Это, в свою очередь, означает, что единственной энергией на горизонте событий является темная энергия, так называемая космологическая постоянная. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.
«В противном случае, — говорит Никодем Поплавский, выдающийся преподаватель Университета Нью-Хейвена, — давление материи и кривизна пространства-времени на горизонте должны были бы быть бесконечными, но это нефизично».
Черные дыры — увлекательная тема, потому что они относятся к числу самых простых вещей во Вселенной: их единственными свойствами являются масса, электрический заряд и угловой момент (спин). Но их простота приводит к фантастическому свойству — они имеют горизонт событий на критическом расстоянии от черной дыры, нефизическую поверхность вокруг нее, которая в простейшем случае имеет сферическую форму. Все, что находится ближе к черной дыре, то есть в пределах горизонта событий, никогда не сможет покинуть черную дыру.
Черные дыры были предсказаны Карлом Шварцшильдом в 1916 году, когда он был немецким солдатом, служившим на русском фронте и страдавшим болезненным аутоиммунным заболеванием кожи пузырчаткой.
Используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, он выдвинул гипотезу о массивном, невращающемся, идеально круглом объекте в пустой и неизменной Вселенной и открыл горизонт событий. Радиус горизонта событий пропорционален массе черной дыры. На горизонте даже свет, самый быстрый объект во Вселенной, не может выбраться из дыры.
Шварцшильд также обнаружил очевидную сингулярность в центре черной дыры, места бесконечной плотности, где законы гравитации Эйнштейна, по-видимому, больше не применяются.
Астрономы теперь обнаружили, что большинство галактик, по-видимому, имеют в центре сверхмассивную черную дыру; в Млечном Пути это Стрелец А*, масса которого более чем в четыре миллиона раз превышает массу Солнца. Только в 2019 году было непосредственно получено изображение черной дыры — черного пятна с ореолом света вокруг него, расположенного в центре галактики Мессье 87, в 55 миллионах световых лет от Земли.
Поплавский пошел дальше Шварцшильда и предположил наличие массивного центрально-симметричного объекта в расширяющейся Вселенной. При этом решение уравнений Эйнштейна о структуре пространства-времени вокруг массы впервые было найдено в 1933 году британским математиком и космологом Джорджем МакВитти.
МакВитти обнаружил, что вблизи массы пространство-время похоже на пространство-время Шварцшильда с горизонтом событий, но вдали от массы Вселенная расширяется так, как наша Вселенная расширяется сегодня. Параметр Хаббла, также известный как постоянная Хаббла, указывает на скорость расширения Вселенной.
Поплавский использовал решение МакВитти, чтобы обнаружить, что скорость расширения пространства на горизонте событий должна быть константой, связанной только с космологической константой (которую можно интерпретировать как плотность энергии вакуума пространства-времени). Сегодня мы знаем это как плотность темной энергии. Это означает, что единственная энергия на горизонте — это темная энергия. Следствием этого, по его словам, является то, что разные части Вселенной расширяются с разной скоростью.
Фактически, нечто подобное было обнаружено с так называемым «натяжением Хаббла» — статистически значимым расхождением между двумя разными измеренными значениями параметра Хаббла, в зависимости от того, используются ли измерения «поздней Вселенной» или «ранней Вселенной». Основываются измерения космического микроволнового фонового излучения. В своей статье Поплавский заявил, что это несоответствие является «естественным следствием правильного анализа пространства-времени черной дыры в расширяющейся Вселенной в рамках общей теории относительности Эйнштейна».
Более того, его уравнения показывают, что следствием различных скоростей расширения Вселенной является то, что космологическая постоянная – и, следовательно, значение темной энергии – должна быть положительной. В противном случае, без этой константы, сказал Поплавский, «замкнутая Вселенная будет колебаться и не сможет генерировать космические пустоты».
«Это самое простое объяснение наблюдаемого текущего ускорения Вселенной».
Например, в случае со звездой Вселенная также расширяется на границе своей поверхности, но само тело не расширяется, поскольку оно связано гравитационно и электромагнитно.
Однако горизонт событий — это математически абстрактная вещь, не состоящая из материи или энергии, а просто точки в пространстве. Поэтому постоянная скорость расширения пространства неудивительна. Сам горизонт событий (и, следовательно, черная дыра) не расширяется; Точки в пространстве за пределами горизонта удаляются от него.
Настоящие черные дыры вращаются, но если вращение обычно медленное, выводы Поплавского должны быть применимы к ним с хорошим приближением. Однако в настоящее время невозможно измерить параметр Хаббла на горизонте событий, пока не будут разработаны новые методы.
Наблюдатель на горизонте событий в принципе мог бы измерить там параметр Хаббла, но был бы навсегда неспособен сообщить его значение остальной части Вселенной, поскольку он находится за горизонтом событий и через него невозможно отправить информацию обратно.
По словам Поплавского, это согласуется с гипотезой, которую он опубликовал в 2010 году: каждая черная дыра на самом деле является червоточиной (мостом Эйнштейна-Розена) в новую вселенную по другую сторону ее горизонта событий.
«Горизонт событий — это ворота из одной вселенной в другую», — сказал он. «Эти ворота не увеличиваются по мере расширения Вселенной… Если это верно для горизонта событий черной дыры, образующей Вселенную, то это также должно быть верно и для горизонтов событий других черных дыр в этой вселенной».
