Черные дыры — интригующие и широко изучаемые космические тела с чрезвычайно высокими приливными силами, от которых не может убежать даже свет. Хотя многие исследования предсказывали существование черных дыр, которые также недавно были обнаружены, многие вопросы об этих космических телах остаются без ответа.

Исследователи из Лейпцигского университета недавно провели исследование поляризации вакуума, вызванной квантово-заряженным скалярным полем вблизи внутреннего горизонта заряженной черной дыры. Результаты их анализа, опубликованные в Physical Review Letters , предполагают, что на внутреннем горизонте заряженной черной дыры квантовый заряженный ток может быть как положительным, так и отрицательным.

«Общая теория относительности объединяет пространство и время в концепцию пространства-времени и описывает гравитацию как искривление этого пространства-времени», — рассказала Phys.org Кристиана Кляйн, одна из исследователей, проводивших исследование. «Одним из ее самых известных предсказаний являются черные дыры (то есть области пространства-времени, из которых не может выйти даже свет). Если черная дыра электрически заряжена или вращается, ее внутренняя часть имеет интересную особенность: внутри черной дыры есть поверхность со свойствами, напоминающими свойства горизонта событий (т. е. внешнего края) черной дыры. Поэтому она называется внутренним горизонтом».

По сути, вплоть до внутреннего горизонта черной дыры пространство-время и все происходящее в нем можно теоретически предсказать на основе знания состояния Вселенной в какой-то момент в прошлом, которое физики называют «исходными данными» что позволяет предсказывать пространство-время, известный как детерминизм, является важной особенностью физических теорий.

Однако, исходя из теоретических предсказаний, наблюдатель, пересекающий внутренний горизонт черной дыры, может обойти центральную сингулярность черной дыры, где пространство и время становятся бесконечно искривленными, и вернуться в другую вселенную. Более того, за пределами внутреннего горизонта детерминизм теоретически нарушился бы, что, по сути, означает, что путешествие наблюдателя больше не будет определяться так называемыми начальными данными.

В своей работе под названием «Гравитационное излучение и гравитационный коллапс» британский математик Роджер Пенроуз предсказал, что этого не произойдет, так как будут остатки коллапса черной дыры или другие небольшие отклонения от исходных данных пространства-времени черной дыры.

«По словам Пенроуза, эти отклонения будут накапливаться вблизи внутреннего горизонта и искривлять пространство-время вблизи горизонта настолько сильно, что любой наблюдатель, приближающийся к нему, уничтожается, превращая внутренний горизонт в сингулярность», — сказал Клейн. «Эта идея называется гипотезой сильной космической цензуры. В литературе изучались различные виды черных дыр с внутренними горизонтами и различными возмущениями их начальных данных, чтобы проверить эту гипотезу и определить силу сингулярности на внутреннем горизонте».

Недавние исследования показали, что в заряженных черных дырах в расширяющейся Вселенной сингулярность может быть достаточно слабой, чтобы ее можно было пересечь. Эти выводы ( Cardoso et al .;Диас и др. ; Кардосо и др. ) в конечном итоге вдохновил некоторых исследователей в команде исследовать, что произойдет, если они также объяснят квантовую природу гравитационных полей и материи.

«Обычно эти квантовые возмущения пренебрежимо малы», — сказал Клейн. «Оказалось, что достаточно близко к внутреннему горизонту квантовые эффекты доминируют над классическими эффектами и достаточно сильны, чтобы превратить внутренний горизонт в сильную сингулярность. Это показало, что квантовыми эффектами нельзя пренебрегать вблизи внутренних горизонтов черных дыр, и побудило нас чтобы поближе познакомиться с другими квантовыми эффектами в этой области».

Поскольку электрически заряженная черная дыра может образоваться только из электрически заряженного вещества, Кляйн и ее коллеги решили специально изучить электрически заряженную квантовую материю. Одним из основных наблюдаемых признаков этого типа материи является производимый ею электрический ток. Поэтому исследователи попытались определить, как этот ток будет вести себя вблизи внутреннего горизонта черной дыры.

«В предыдущих исследованиях утверждалось, что такие токи в основном связаны с самопроизвольным созданием противоположно заряженных частиц внутри черной дыры, которые затем ускоряются в противоположных направлениях», — сказал Клейн. «Это привело бы к разрядке области черной дыры за внутренним горизонтом. Одна из целей состояла в том, чтобы проверить, верна ли эта интуитивная картина частиц».

В своей недавней работе исследователи рассмотрели пространство-время, описывающее расширяющуюся Вселенную с заряженной черной дырой внутри. Впоследствии они сформулировали квантовую теорию заряженного скалярного поля в рамках этого гипотетического пространства-времени.

«В настоящее время мы игнорировали тот факт, что присутствие квантового поля должно изменить пространство-время», — сказал Клейн.

Используя предложенную ими структуру, команда смогла изучить электрический ток квантового поля в рассмотренном ими примере. Их числовая схема, которую они разработали, была основана на результатах, которые они собрали в мимо.

«Мы обнаружили, что доминирующий вклад в ток на внутреннем горизонте не зависит от состояния (т. е. начальных условий) квантового поля, если это физически разумно», — сказал Клейн. «Мы выбрали удобное состояние и вывели формулу для тока, используя методы квантовой теории поля на искривленном пространстве-времени. Формула должна быть вычислена численно для набора параметров пространства-времени (масса и заряд черной дыры и космологическая постоянная описывающее степень расширения Вселенной) и квантовое поле (масса и заряд поля)».

Ключевые элементы, содержащиеся в формуле, используемой Кляйн и ее коллегами, — это так называемые «коэффициенты рассеяния». Это числа, описывающие степень, в которой возмущения поля передаются в черную дыру или отражаются в пространстве. Чтобы вычислить эти коэффициенты, Кляйн и ее коллеги использовали методы, разработанные ими в один из их предыдущие исследования.

«Ток всегда должен иметь один и тот же знак, но мы обнаружили, что доминирующий вклад в ток на внутреннем горизонте может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от параметров пространства-времени и квантового поля», — сказал Клейн. «Следует отметить, что в области параметров, очень близкой к максимально допустимому заряду черной дыры (при дальнейшем увеличении заряда горизонт событий исчезает и сингулярность в центре становится «голой»), ток всегда стремится уменьшить заряд внутреннего горизонта. Это гарантирует, что его заряд не может быть увеличен сверх разрешенного максимума».

Результаты анализов исследователей оказались довольно неожиданными, так как они противоречат предсказанию картины частиц. В отличие от того, что они ожидали, их результаты предсказывают, что при определенных обстоятельствах заряд черной дыры внутри внутреннего горизонта может быть увеличен за счет квантовых эффектов.

«Несмотря на то, что наши численные результаты не могут охватить реалистичные параметры пространства -времени и квантового поля, наша работа демонстрирует, что картина частиц недостаточна для полного описания квантовых эффектов внутри черных дыр», — сказал Клейн.

В дополнение к противоречащим предсказаниям картины частиц, результаты, полученные Кляйн и ее коллегами, могут пролить дополнительный свет на общепризнанные выводы, связанные с горизонтом событий. Фактически, их работа предполагает, что квантовые эффекты могут вести себя совершенно иначе вблизи внутреннего горизонта черной дыры, чем на горизонте событий , где ожидается, что они уменьшат заряд черной дыры. Более того, результаты могут вдохновить на новые исследования, изучающие аналогичные квантовые эффекты в более реалистичных условиях.

«Ожидается, что реалистичные черные дыры будут иметь в лучшем случае пренебрежимо малый электрический заряд, но значительный угловой момент (то есть вращение)», — сказал Клейн. «На самом деле, заряженные черные дыры можно рассматривать как просто игрушечные модели вращающихся: они имеют много общих черт, таких как наличие внутреннего горизонта, но с заряженными черными дырами гораздо легче обращаться математически. в настоящее время мы занимаемся распространением наших результатов на вращающиеся черные дыры. Было бы интересно проверить, могут ли квантовые эффекты увеличивать вращение черной дыры вблизи ее внутреннего горизонта, а не уменьшать его, как можно было бы наивно ожидать».