Расширение Вселенной считается одним из фундаментальных свойств космоса. Однако оно далеко не одинаково влияет на все объекты. Галактики, звездные системы, планеты и другие связанные гравитацией структуры не растягиваются вслед за расширением пространства. По крайней мере, именно такое представление лежит в основе привычной картины мира.
Черные дыры традиционно тоже рассматривались как объекты, практически изолированные от космологического расширения. Но новая теоретическая работа предлагает иной взгляд на эту проблему. Согласно полученным результатам, черная дыра, существующая в реалистичной расширяющейся Вселенной, может быть не полностью независима от ее эволюции. Ее граница способна со временем расширяться вместе с самим космосом.
Если эта идея подтвердится дальнейшими исследованиями, она может помочь объяснить сразу несколько загадок современной астрофизики. Среди них — существование чрезвычайно массивных черных дыр в молодой Вселенной и обнаружение черных дыр с массами, которые трудно получить в рамках обычных моделей звездной эволюции.
Расширяется Вселенная, но не все объекты внутри нее
На первый взгляд утверждение о расширении Вселенной может создать впечатление, будто все существующее в космосе постепенно увеличивается в размерах. В действительности это не так.
Расширение происходит на крупнейших космологических масштабах. Расстояния между достаточно удаленными и не связанными друг с другом гравитационными структурами со временем увеличиваются. Именно поэтому далекие галактики в среднем удаляются друг от друга.
Однако внутри галактик и звездных систем действуют другие силы. Гравитация удерживает звезды в галактиках, планеты — возле звезд, а спутники — возле планет. На еще меньших масштабах важную роль играют электромагнитные взаимодействия, удерживающие вместе атомы и молекулы.
Поэтому Земля не увеличивается вместе с Вселенной, Солнечная система не растягивается, а галактики не раздуваются подобно воздушным шарам вслед за космическим расширением.
Черные дыры также долгое время относили к объектам, которые практически не испытывают прямого влияния расширения Вселенной. Их чрезвычайно сильная гравитация, казалось, должна полностью изолировать их от космологической эволюции окружающего пространства.
Новая теоретическая работа ставит под сомнение именно это предположение.
Почему обычные модели черных дыр могут быть недостаточными
Черная дыра в пустом и неподвижном пространстве
Большая часть классических представлений о черных дырах основана на математических решениях, разработанных еще в начале XX века. Одним из важнейших стало решение Карла Шварцшильда.
Оно описывает идеализированную черную дыру как объект, находящийся в неподвижном пространстве и окруженный пустотой. Такая модель чрезвычайно полезна для понимания фундаментальных свойств черных дыр и остается одним из важнейших инструментов теоретической физики.
Однако реальная Вселенная устроена иначе.
Она не является бесконечным неподвижным пространством. Вселенная содержит вещество, излучение, галактики, темную материю и другие компоненты, а главное — она расширяется и изменяется со временем.
Поэтому возникает естественный вопрос: можно ли считать описание черной дыры в неподвижном пространстве полностью применимым к объекту, существующему миллиарды лет в расширяющейся Вселенной?
Именно эту проблему попытались рассмотреть авторы новой работы.
Что происходит, если поместить черную дыру в расширяющийся космос
Попытка объединить привычное описание черной дыры с реалистичным расширяющимся космологическим фоном оказывается сложной задачей.
В предыдущих исследованиях авторы рассматривали, что происходит при изменении статической модели таким образом, чтобы она учитывала расширение пространства. Некоторые варианты приводили к математически и физически проблематичным результатам, включая появление так называемой голой сингулярности.
Сингулярностью называют область, в которой используемое описание приводит к экстремальным значениям физических величин и перестает работать в обычном виде. В классической теории черной дыры сингулярность скрыта за горизонтом — границей, из-за которой свет уже не может выбраться наружу.
Голая сингулярность означала бы ситуацию, когда подобная область не скрыта горизонтом. Такие объекты остаются гипотетическими и создают серьезные проблемы для современной физики.
Чтобы избежать подобных результатов, исследователи сосредоточились не на статической геометрии черной дыры, а на поведении ее горизонта в изменяющейся Вселенной.
Может ли горизонт черной дыры расширяться вместе с космосом
Ключевым объектом исследования стал видимый горизонт черной дыры — граница, связанная с областью, из которой свет уже не может уйти наружу.
Исследователи рассмотрели несколько возможных вариантов его поведения в расширяющейся Вселенной. Горизонт мог бы увеличиваться медленнее космического расширения, быстрее него или в конечном итоге изменяться синхронно с ним.
Согласно результатам математического моделирования, физически допустимый вариант приводит к тому, что черная дыра со временем становится «сопутствующей» расширению Вселенной.
Это не означает, что черная дыра просто пассивно растягивается, как нарисованная точка на поверхности раздувающегося шара. Речь идет о значительно более сложном процессе, связанном с поведением пространства-времени и границы черной дыры в космологической среде.
Главный вывод состоит в том, что в рамках рассмотренной модели черная дыра не может бесконечно оставаться полностью независимой от расширяющейся Вселенной. Ее характеристики в конечном итоге оказываются связанными с космологической эволюцией.
Новое объяснение загадки ранних сверхмассивных черных дыр
Одним из наиболее интересных следствий этой идеи может стать объяснение проблемы, которая особенно остро встала после начала работы космического телескопа «Джеймс Уэбб».
Наблюдения позволили увидеть чрезвычайно далекие галактики такими, какими они были всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. В некоторых из этих молодых систем были обнаружены признаки существования очень массивных черных дыр.
Именно их размеры стали серьезной проблемой для традиционных сценариев роста.
Почему ранние черные дыры оказались слишком большими
Сверхмассивные черные дыры могут увеличивать свою массу, поглощая окружающее вещество. Газ, падающий в сторону черной дыры, обычно образует аккреционный диск и постепенно движется внутрь.
Однако этот процесс имеет физические ограничения.
Падающее вещество сильно нагревается и начинает излучать огромное количество энергии. Излучение оказывает давление на окружающий газ и может препятствовать дальнейшему падению вещества. Один из важнейших теоретических пределов такого процесса известен как предел Эддингтона.
Он ограничивает скорость, с которой черная дыра может стабильно увеличиваться за счет поглощения вещества при определенных условиях.
Именно поэтому появление очень массивных черных дыр в чрезвычайно молодой Вселенной оказалось трудным для объяснения. Если предположить, что они росли только за счет обычной аккреции, некоторым из них могло не хватить времени, чтобы достичь наблюдаемых размеров.
Расширение Вселенной как дополнительный механизм роста
Новая модель предлагает совершенно иной возможный вклад в этот процесс.
Если черные дыры действительно могут эволюционировать вместе с расширением Вселенной, их рост не обязательно должен полностью определяться количеством поглощенного газа.
В таком случае часть увеличения масштаба черной дыры могла бы быть связана непосредственно с космологической эволюцией пространства-времени.
Это не означает, что проблема происхождения ранних сверхмассивных черных дыр уже решена. Новая работа представляет теоретическую модель, а не окончательно подтвержденный механизм.
Тем не менее такая возможность заслуживает внимания, поскольку она предлагает альтернативный путь объяснения того, почему некоторые черные дыры смогли стать настолько массивными в эпоху, когда Вселенная была еще очень молодой.
Что это может означать для черных дыр необычной массы
Проблема ранних сверхмассивных черных дыр — не единственная загадка, которой может касаться новая теория.
Современные гравитационно-волновые обсерватории регулярно регистрируют столкновения черных дыр. Такие события позволяют определять массы объектов, существовавших до слияния.
Среди обнаруженных черных дыр встречаются объекты, размеры которых трудно объяснить простым коллапсом одиночной звезды.
Загадочный массовый разрыв
Звездная эволюция накладывает ограничения на массы черных дыр, которые могут образоваться непосредственно после гибели массивных звезд.
При определенных условиях процессы, происходящие внутри очень массивной звезды перед ее разрушением, должны препятствовать образованию черных дыр в определенном диапазоне масс. Поэтому существование объектов в некоторых областях так называемого верхнего массового разрыва требует дополнительных объяснений.
Одним из возможных вариантов являются повторные слияния черных дыр. Например, черная дыра, уже образовавшаяся после предыдущего столкновения, может позднее слиться с другим объектом и приобрести еще большую массу.
Однако новая теоретическая работа допускает еще одну возможность.
Если черные дыры способны постепенно увеличиваться вместе с космологическим расширением, то объект, первоначально образовавшийся с обычной массой, за чрезвычайно длительное время мог бы приобрести характеристики, которые невозможно объяснить только первоначальной звездной эволюцией.
Пока это лишь теоретическая возможность. Для ее подтверждения необходимо сопоставить модель с реальными наблюдениями.
Почему расширение Вселенной не увеличивает Землю
Идея роста черных дыр вместе с космосом может показаться противоречащей привычной картине мира. Если Вселенная расширяется и способна влиять на черные дыры, почему тот же процесс не увеличивает планеты, людей или атомы?
Причина заключается в различии масштабов и физических взаимодействий.
На Земле вещество удерживается электромагнитными силами и гравитацией. Эти взаимодействия на масштабах планеты и живых организмов несравнимо сильнее чрезвычайно слабого эффекта космологического расширения.
То же самое относится к Солнечной системе и большинству связанных структур.
Расширение Вселенной становится заметным прежде всего на огромных расстояниях между объектами, которые не удерживаются друг возле друга достаточно сильными взаимодействиями.
Поэтому даже если новая модель черных дыр окажется верной, она не означает, что космическое расширение начнет увеличивать все окружающие нас объекты.
Черные дыры представляют собой особый случай из-за экстремальной природы пространства-времени вблизи их горизонтов. Именно поэтому вопрос об их поведении в расширяющейся Вселенной требует отдельного теоретического рассмотрения.
Проверить идею помогут наблюдения молодой Вселенной
Главное преимущество новой гипотезы заключается в том, что она потенциально может быть проверена наблюдениями.
Современная астрономия получает все больше данных о ранней Вселенной. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже обнаружил множество молодых галактик и активных черных дыр, существовавших в первые эпохи космической истории.
Будущие наблюдения позволят лучше определить массы ранних черных дыр, свойства окружающих их галактик и скорость их эволюции.
Если окажется, что традиционные механизмы роста систематически не способны объяснить наблюдаемые характеристики, альтернативные модели приобретут особое значение.
Важную роль также могут сыграть гравитационно-волновые исследования. По мере появления более чувствительных детекторов астрономы будут получать информацию о все большем количестве слияний черных дыр и смогут точнее изучать распределение их масс.
Это позволит проверить, существуют ли закономерности, которые согласуются с идеей космологического роста.
Черные дыры могут оказаться теснее связаны с Вселенной, чем считалось
На протяжении десятилетий черные дыры в теоретических моделях часто рассматривались как относительно изолированные объекты, существующие на фоне окружающего пространства.
Однако реальная Вселенная не является неподвижным фоном.
Она расширяется, изменяется, проходит различные эпохи и постоянно эволюционирует. Поэтому возникает фундаментальный вопрос: могут ли объекты с настолько экстремальной гравитацией полностью игнорировать космологические изменения пространства-времени?
Новая теоретическая работа предлагает отрицательный ответ. В рамках рассмотренной модели черная дыра, существующая в расширяющейся Вселенной, в конечном итоге начинает эволюционировать синхронно с космосом.
Пока это не установленный факт, а гипотеза, основанная на теоретическом анализе. Она требует дальнейшей проверки и сопоставления с астрономическими наблюдениями.
Тем не менее последствия могут быть значительными. Если связь между эволюцией черных дыр и расширением Вселенной действительно существует, она способна изменить представления о происхождении самых ранних сверхмассивных черных дыр и помочь объяснить появление объектов с необычными массами.
В таком случае история черных дыр окажется не только историей поглощения вещества и столкновений. Их эволюция может быть непосредственно связана с историей самой Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
