PRL: Впервые зафиксировано аномальное состояние пространства-времени

Фото из открытых источников

Физикам впервые удалось математически описать нестандартное состояние пространства-времени, что возникает на пороге формирования черной дыры. В этот момент, как выяснилось, искривление пространства-времени способно выстраиваться в повторяющиеся структуры, что схожи с так называемыми временными кристаллами. Работу опубликовали в журнале Physical Review Letters (PRL).

В моменты образования черной дыры гравитация настолько экстремальна, что перестают работать стандартные уравнения общей теории относительности Эйнштейна. Поэтому на протяжении десятилетий специалисты изучали этот процесс, как правило, при помощи компьютерных симуляций.

Самой сложной физики считают область критического коллапса, то есть, состояния на границе между двумя исходами: материя либо рассеивается обратно в пространство, либо происходит окончательное схлопывание в черную дыру.

В 1993 году физик Мэттью Чоптуик выяснил, что в такие моменты пространство-время демонстрирует «дискретное самоподобие»: повторяющиеся структуры, что формируются на все меньших масштабах. Но до сих пор никому не удавалось описать данный феномен чёткими математическими формулами. Сейчас группа исследователей из Венского технического университета и Университета Гете во Франкфурте нашла возможность это сделать.

Кристалл пространства-времени является крайне необычным объектом, признают авторы работы. Они ведут себя как нестабильное промежуточное состояние. Но когда добавляется небольшой объём энергии, они могут неожиданно трансформироваться в состояние микроскопической черной дыры.

Найти решение помогла любопытная математическая идея: эксперты представили Вселенную не четырехмерной, а многомерной, с десятками или сотнями пространственных измерений.

Оказалось, что в многомерной модели уравнения Эйнштейна становятся проще: гравитация обретает способность концентрироваться локально около зоны коллапса, а не распределена по всему пространству. С использованием этого подхода исследователям удалось вывести аналитические формулы, которые описывают фрактальные повторяющиеся структуры искривления пространства-времени в процессе образования черных дыр.

Важно, что аналогичные математические закономерности были сохранены и при возврате к меньшему числу измерений, что говорит о фундаментальной природе явления. Авторы надеются, что новый метод позволит изучать процессы формирования и существования черных дыр, которые ранее исследовали исключительно численно на суперкомпьютерах.