Ученые утверждают, что чёрные дыры растут вместе со Вселенной

Фото из открытых источников

Мы знаем, что Вселенная постоянно расширяется. Мы также знаем, что гравитационно связанные объекты, такие как солнечные системы и черные дыры, по-видимому, не подвержены этому расширению. Но новая статья, доступная в препринте на arXiv, написанная физиками-теоретиками Валерио Фараони и Массимилиано Ринальди, оспаривает это предположение. Они предполагают, что черные дыры не могут просто игнорировать расширяющуюся Вселенную вокруг себя. Вместо этого они должны расширяться вместе с ней.

Как и многие прорывные теоретические открытия, это происходит на фоне противоречивых наблюдательных данных. Томас Кун был бы горд. В последние несколько лет космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) и другие новые обсерватории изучают истоки Вселенной. И они обнаруживают там сверхмассивные черные дыры.

В частности, их обнаружили внутри «младенческих» галактик, которые никогда не должны были быть способны их поддерживать. По-видимому, они образовались всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Однако, согласно учебникам по астрофизике, они не должны были существовать так рано. Существует физический предел скорости падения газа в черную дыру, известный как предел Эддингтона, который, по крайней мере теоретически, ограничивает размер, до которого они могли бы вырасти к моменту наблюдения телескопом JWST. Другими словами, ранняя Вселенная была недостаточно стара для того, чтобы эти сверхмассивные черные дыры достигли таких размеров.

Чтобы понять альтернативное решение, нам сначала нужно взглянуть на то, как физики моделируют сами черные дыры. Обычно они используют решение Шварцшильда, сформулированное более века назад. Для упрощения математических вычислений оно рассматривает черную дыру как изолированный, неподвижный объект, окруженный бесконечной, пустой пустотой, которая никогда не меняется. Но если астрофизики теперь что-то и знают о нашей Вселенной, так это то, что она не пуста и уж точно не статична.

В предыдущих работах Фараони и Ринальди показали, что попытка изменить это статическое условие на реалистичное расширяющееся пространство, подобное тому, что происходит во Вселенной, приводит к физически невозможной «голой сингулярности». Математика просто не работает. Чтобы решить эту дилемму, они вместо этого отслеживали видимый горизонт черной дыры — границу, где гравитация становится настолько сильной, что свет не может вырваться. А затем они задали простой вопрос: расширяется ли эта граница медленнее, быстрее или с той же скоростью, что и Вселенная?

На этот вопрос может показаться довольно экстремальным, но именно в этом и преуспевают физики-теоретики. Поэтому они разработали ряд математических моделей, которые подробно описывали судьбу черной дыры, образовавшейся в ранней Вселенной. Единственный математически и физически обоснованный результат наступал, когда черная дыра в конечном итоге начинала двигаться вместе с космосом — другими словами, она расширялась с той же скоростью, что и Вселенная.

Хотя этот ответ кажется достаточно простым, он имеет серьезные последствия для нашего понимания космоса, и особенно его истории. Один из логических выводов заключается в том, что сверхмассивные черные дыры, которые телескоп JWST обнаруживает в молодых галактиках, не должны были бы достигать таких размеров просто за счет поглощения газа на пределе Эддингтона. Вместо этого, их, казалось бы, необъяснимые размеры могут быть обусловлены самим расширением Вселенной.

Ещё одна загадка, связанная с этой теорией, — это результаты исследований современных детекторов гравитационных волн. Такие обсерватории, как LIGO и Virgo, обнаружили столкновения между чёрными дырами, массы которых находятся внутри «верхнего массового разрыва» — по сути, чёрными дырами таких размеров, при которых, согласно теории звёздной эволюции, звёзды не могут создавать чёрные дыры. Если бы со временем чёрные дыры продолжали расширяться вместе с расширением Вселенной, это могло бы объяснить существование этих, казалось бы, неуместных чёрных дыр.

Чтобы было понятно, это не означает, что расширение Вселенной окажет какое-либо влияние на вашу повседневную жизнь. Электромагнитные и гравитационные силы удерживают наш мир и нашу биологию вместе, причем эти силы значительно превосходят возможности расширения Вселенной. Но для черных дыр, похоже, даже их экстремальная гравитация не обеспечивает полной защиты от этих сил. И хотя пока эта теория остается лишь теорией, она достаточно проверяема, и вскоре некоторые из этих захватывающих результатов, полученных с помощью телескопа JWST и других обсерваторий, должны предоставить достаточно доказательств в её пользу.