Чёрная дыра ассоциируется с объектом, который безвозвратно поглощает всё оказавшееся слишком близко. Но теоретическая физика допускает значительно более странные конструкции. В новом численном исследовании физики обнаружили необычный сценарий: чёрная дыра, окружённая массивным облаком экзотического скалярного поля, при потере устойчивости способна не поглотить это поле, а буквально выйти из него. После разделения остаются два самостоятельных объекта — обычная «лысая» чёрная дыра и гипотетическая бозонная звезда.
Чтобы понять, насколько необычен такой результат, нужно начать со знаменитой идеи об отсутствии у чёрных дыр «волос». В классической общей теории относительности установившуюся чёрную дыру можно описать удивительно небольшим числом внешних характеристик, прежде всего массой, вращением и электрическим зарядом. Под «волосами» физики понимают дополнительные поля или характеристики, которые теоретически могут существовать вокруг горизонта и усложнять эту простую картину.
Одним из кандидатов являются скалярные поля. Скалярное поле можно представить как физическую величину, имеющую определённое значение в каждой точке пространства, но не имеющую собственного направления. Знакомый пример из современной физики — поле Хиггса. В рассматриваемых моделях речь идёт о другом, гипотетическом поле, частицы которого являются бозонами и при определённых условиях способны образовывать вокруг чёрной дыры массивную конфигурацию.
Возникает очевидный вопрос: почему такое облако просто не падает внутрь? В специальных математических решениях между горизонтом и скалярным полем устанавливается резонансное состояние. Поле может сохраняться вокруг чёрной дыры, причём его вклад в массу всей системы способен быть весьма значительным. Получается составной объект: горизонт чёрной дыры находится внутри большой самогравитирующейся структуры из скалярной материи.
До сих пор одной из главных проблем оставалась устойчивость таких конструкций. Ранние расчёты часто использовали сферическую симметрию. Это чрезвычайно облегчает вычисления: если система изменяется в одном направлении, модель требует, чтобы то же самое происходило во всех остальных. Но одновременно такое условие запрещает многие виды реальных возмущений. Объект может выглядеть устойчивым именно потому, что математическая модель не позволяет ему перекоситься.
Португальские исследователи отказались от этого ограничения и провели численные симуляции, позволив системе развиваться несимметрично. Малые возмущения могли усиливаться в одном направлении независимо от остальных. Именно тогда выяснилось, что исследованные конфигурации волосатых чёрных дыр способны быть нестабильными.
Первый обнаруженный финал выглядит достаточно предсказуемо. Исследователи называют его поглощением. Хрупкое равновесие нарушается, скалярное поле начинает падать внутрь и в конце концов поглощается горизонтом. От сложного объекта остаётся обычная чёрная дыра без скалярных «волос». Если представить систему как чёрную дыру внутри облака, облако просто проигрывает гравитации.
Второй сценарий оказался намного необычнее. Его назвали делением. Здесь скалярное облако не разрушается и не поглощается. Вместо этого чёрная дыра постепенно смещается относительно его центра, а затем отделяется от него. Поле тем временем сохраняет собственную гравитационную связность и превращается в самостоятельный компактный объект — бозонную звезду.
Полезна аналогия с шариком, идеально установленным на вершине холма. Теоретически он может оставаться там, но положение неустойчиво: малейшее смещение не возвращает его назад, а заставляет двигаться всё дальше. Аналогичным образом чёрная дыра первоначально находится в центре скалярной конфигурации. После небольшого нарушения симметрии силы уже не возвращают её в исходное положение. Она продолжает удаляться, пока два компонента окончательно не становятся независимыми.
Бозонная звезда при этом сама по себе представляет один из наиболее любопытных гипотетических объектов современной гравитационной физики. В отличие от обычной звезды, она состояла бы не из атомов и плазмы, а из огромного количества бозонов, удерживаемых общей гравитацией и квантовыми свойствами поля. У неё нет горизонта событий, поэтому в принципе она может быть прозрачной для части излучения и внешне при некоторых условиях имитировать компактный объект вроде чёрной дыры.
Исследователи обнаружили, что судьба системы зависит от характеристик скалярной конфигурации. Более плотные «волосы» чаще заканчивали существование поглощением: чёрная дыра съедала окружающее поле. Более разреженные конфигурации оказывались склонны к делению, при котором чёрная дыра покидала скалярный объект. Подобная тенденция сохранялась при двух разных вариантах математического потенциала поля, что делает результат интереснее единичной особенности конкретной настройки модели.
Но здесь необходима принципиальная оговорка. Исследование не утверждает, что реальные чёрные дыры во Вселенной постоянно вылетают из бозонных звёзд. Сами бозонные звёзды пока не обнаружены, а использованная модель намеренно упрощена. В ней важную роль играет обычный электрический заряд, тогда как астрофизические чёрные дыры, как ожидается, обладают очень небольшим суммарным зарядом.
Поэтому работа представляет собой прежде всего исследование возможного физического механизма. Теоретики используют такие модели примерно так же, как инженеры используют упрощённый прототип: сначала необходимо выяснить, возможен ли эффект в принципе, а уже затем проверять, сохраняется ли он при переходе к более реалистическим условиям.
Следующий важный вопрос — может ли электрический заряд быть заменён другим механизмом. Особенно интересным кандидатом является вращение. Реальные астрофизические чёрные дыры могут быстро вращаться, а взаимодействие вращающегося горизонта со скалярным полем способно создавать богатую динамику. Если аналогичное деление существует и для более реалистичных вращающихся систем, необычный теоретический эффект приобретёт совершенно другое значение.
Есть и потенциальный способ когда-нибудь проверить подобную физику наблюдениями. Бурное нарушение симметрии массивной компактной системы должно искажать пространство-время и создавать гравитационные волны. Причём деление чёрной дыры и бозонной звезды динамически совсем не похоже на привычное слияние двух чёрных дыр, поэтому форма возникающего сигнала теоретически может иметь собственные характерные особенности.
Пока неизвестно, насколько сильным был бы такой сигнал, существуют ли соответствующие объекты в природе и смогли бы современные или будущие детекторы отличить их от других источников. Для ответа потребуются отдельные симуляции, непосредственно рассчитывающие гравитационно-волновую картину процесса. Но сама возможность важна: экзотические поля возле чёрных дыр могут быть не только математическими конструкциями, но потенциально оставлять наблюдаемые следы.
В этом и заключается более широкий смысл работы. Чёрные дыры являются естественными лабораториями экстремальной гравитации. Если во Вселенной существуют неизвестные лёгкие бозоны или другие поля за пределами Стандартной модели, сильная гравитация и вращение чёрных дыр могут создавать условия, при которых эти поля проявляются особенно заметно.
Новый сценарий пока находится далеко от подтверждённой астрофизики, но показывает, насколько неожиданной может быть динамика даже относительно простой теоретической системы. Вместо привычной картины, где чёрная дыра неизбежно поглощает окружающую материю, математика допускает противоположный финал: окружающая структура переживает кризис, а горизонт событий оказывается тем компонентом, который уходит. Чёрная дыра буквально оставляет собственные «волосы» позади — и эти волосы продолжают существовать как отдельная звезда.
- Понравилось: 36
А затем «Добавить на главный экран». 