Исследователи из Кембриджского университета и Лондонского университета королевы Марии успешно смоделировали черную дыру в форме очень тонкого кольца, которое дает начало серии «выпуклостей», соединенных струнами, которые со временем становятся тоньше. Эти струны со временем становятся настолько тонкими, что превращаются в серию миниатюрных черных дыр, подобно тому, как тонкая струя воды из крана разбивается на капли.Кольцеобразные черные дыры были «открыты» физиками-теоретиками в 2002 году, но это первый случай, когда их динамика была успешно смоделирована с помощью суперкомпьютеров. Если образуется такая черная дыра, это приведет к появлению «голой сингулярности», что приведет к нарушению уравнений, лежащих в основе общей теории относительности.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.Общая теория относительности лежит в основе нашего нынешнего понимания гравитации: все, от оценки возраста звезд во Вселенной до сигналов GPS, на которые мы полагаемся, чтобы помочь нам ориентироваться, основано на уравнениях Эйнштейна. Частично теория говорит нам, что материя искажает окружающее пространство-время, и то, что мы называем гравитацией, является результатом этой деформации.
За 100 лет, прошедших с момента публикации, общая теория относительности прошла все испытания, которые ей подвергали, но одним из ее ограничений является наличие сингулярностей.Сингулярность — это точка, в которой гравитация настолько сильна, что пространство, время и законы физики нарушаются.
Общая теория относительности предсказывает, что сингулярности существуют в центре черных дыр и что они окружены горизонтом событий — « точкой невозврата », где гравитационное притяжение становится настолько сильным, что побег невозможен, а это означает, что их нельзя наблюдать. снаружи.«Пока сингулярности остаются скрытыми за горизонтом событий, они не вызывают проблем, и общая теория относительности остается в силе -« гипотеза космической цензуры »утверждает, что это всегда так», — сказал соавтор исследования Маркус Кунеш, аспирант в Кембриджский факультет прикладной математики и теоретической физики (DAMTP). «Пока гипотеза космической цензуры верна, мы можем безопасно предсказывать будущее за пределами черных дыр.
Потому что, в конечном счете, то, что мы пытаемся сделать в физике, — это предсказать будущее, учитывая знания о текущем состоянии Вселенной».Но что, если сингулярность существует за пределами горизонта событий?
Если бы это было так, то он не только был бы виден снаружи, но и представлял бы объект, который сжался до бесконечной плотности, состояние, которое вызывает нарушение законов физики. Физики-теоретики выдвинули гипотезу, что такая вещь, называемая голой сингулярностью, может существовать в более высоких измерениях.«Если существуют голые сингулярности, общая теория относительности не работает», — сказал соавтор Саран Туньясувунакул, также аспирант из DAMTP. «И если общая теория относительности потерпит неудачу, она перевернет все с ног на голову, потому что у нее больше не будет никакой предсказательной силы — ее больше нельзя будет рассматривать как отдельную теорию для объяснения Вселенной».Мы думаем, что Вселенная существует в трех измерениях плюс четвертое измерение времени, которые вместе называются пространством-временем.
Но в разделах теоретической физики, таких как теория струн, Вселенная может состоять из 11 измерений. Дополнительные измерения могли быть большими и обширными, или они могли быть свернутыми, крошечными и их было трудно обнаружить. Поскольку люди могут непосредственно воспринимать только три измерения, о существовании дополнительных измерений можно сделать вывод только с помощью экспериментов с очень высокими энергиями, например, проводимых на Большом адронном коллайдере.
Сама теория Эйнштейна не утверждает, сколько измерений существует во Вселенной, поэтому физики-теоретики изучали общую теорию относительности в высших измерениях, чтобы увидеть, сохраняется ли космическая цензура. Открытие кольцевых черных дыр в пяти измерениях привело исследователей к гипотезе о том, что они могут распадаться и давать начало голой сингулярности.Кембриджские исследователи вместе со своим соавтором Пау Фигерасом из Лондонского университета королевы Марии обнаружили, что если кольцо достаточно тонкое, оно может привести к образованию голых сингулярностей.
Используя суперкомпьютер COSMOS, исследователи смогли выполнить полное моделирование полной теории Эйнштейна в более высоких измерениях, что позволило им не только подтвердить, что эти «черные кольца» нестабильны, но и определить их дальнейшую судьбу. В большинстве случаев черное кольцо схлопывается обратно в сферу, так что сингулярность остается в пределах горизонта событий.
Только очень тонкое черное кольцо становится достаточно нестабильным, чтобы образовывать выпуклости, соединенные все более тонкими и тонкими струнами, которые в конечном итоге отламываются и образуют голую сингулярность. Чтобы справиться с этими экстремальными формами, потребовались новые методы моделирования и компьютерный код.«Чем лучше мы сможем моделировать теорию гравитации Эйнштейна в более высоких измерениях, тем легче нам будет помочь в разработке новых вычислительных методов — мы раздвигаем границы того, что вы можете делать на компьютере, когда дело касается теории Эйнштейна. теория ", — сказал Туньясувунакул. «Но если космическая цензура не действует в высших измерениях, тогда, возможно, нам нужно взглянуть на то, что такого особенного в четырехмерной Вселенной, что означает, что это действительно так».Предполагается, что гипотеза космической цензуры верна в нашей четырехмерной Вселенной, но если она будет опровергнута, тогда необходимо будет найти альтернативный способ объяснения Вселенной.
Одна из возможностей — квантовая гравитация, которая приближает уравнения Эйнштейна вдали от сингулярности, но также обеспечивает описание новой физики вблизи сингулярности.Суперкомпьютер COSMOS в Кембриджском университете является частью фонда DiRAC HPC Совета по науке и технологиям (STFC).