Nowe badanie pokazuje, że wewnętrzna dynamika czarnych dziur może stanowić wyzwanie dla tradycyjnych modeli, takich jak rozwiązanie Kerra.
Badania te wskazują, że czarne dziury mogą być mniej stabilne niż wcześniej sądzono z powodu akumulacji energii w ich wnętrzu, co prawdopodobnie zmienia nasze rozumienie tych kosmicznych struktur.
Czarne dziury i ich tajemnice
Czarne dziury od dawna fascynują naukowców. Chociaż są to obiekty czysto grawitacyjne i stosunkowo proste w budowie, skrywają tajemnice, które zaprzeczają naszemu obecnemu rozumieniu wszechświata. Większość dotychczasowych badań koncentrowała się na ich zewnętrznych cechach i otaczającym je środowisku, pozostawiając w dużej mierze nieznane wewnętrzne działanie czarnych dziur.
W nowym badaniu opublikowanym 1 listopada w Listy z przeglądu fizycznegomiędzynarodowy zespół badawczy z Uniwersytetu Południowej Danii, Uniwersytetu Karola w Pradze, Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) w Trieście i Uniwersytetu Wiktorii w Wellington w Nowej Zelandii badał wewnętrzne obszary czarnych dziur. Badając różne modele czasoprzestrzeni, odkryli intrygujące dowody sugerujące, że nasza wiedza o czarnych dziurach może być niepełna.
Nowe spojrzenie na dynamikę czarnych dziur
Według współautora badania Raúla Carballo-Rubio, badacza ze stopniem doktora w ośrodku CP3-Origins na Uniwersytecie Południowej Danii, badania pokazują, że „wewnętrzna dynamika czarnych dziur, które w dużej mierze pozostają niezbadane, może radykalnie zmienić nasze rozumienie zjawiska tych obiektów, nawet z perspektywy zewnętrznej.” To spostrzeżenie otwiera nowe możliwości dla przyszłych badań i głębszego zrozumienia prawdziwej natury czarnych dziur.
Rozwiązanie Kerra równań ogólnej teorii względności jest najdokładniejszą reprezentacją wirujących czarnych dziur obserwowanych w astrofizyce grawitacyjnej. Przedstawia A czarna dziura jak wir w czasoprzestrzeni, charakteryzujący się dwoma horyzontami: zewnętrznym, poza którym nic nie może uciec przed jego przyciąganiem grawitacyjnym, oraz wewnętrznym, obejmującym osobliwość pierścieniową, obszar, w którym czasoprzestrzeń, jaką znamy, przestaje istnieć. Model ten dobrze pokrywa się z obserwacjami, ponieważ odchylenia od teorii Einsteina na zewnątrz czarnej dziury są regulowane przez nowe parametry fizyczne, które regulują rozmiar jądra i oczekuje się, że będą dość małe.
Akumulacja energii i niestabilność czarnej dziury
Jednakże niedawne badania przeprowadzone przez wspomniany powyżej międzynarodowy zespół uwypukliły kluczową kwestię dotyczącą wnętrz tych obiektów: chociaż wiadomo było, że statyczny horyzont wewnętrzny charakteryzuje się nieskończoną akumulacją energii, badanie pokazuje, że jeszcze bardziej realistyczna dynamika czarne dziury podlegają znacznej niestabilności w stosunkowo krótkich okresach czasu. Ta niestabilność wynika z akumulacji energii, która rośnie wykładniczo w czasie, aż osiągnie skończoną, ale niezwykle dużą wartość, zdolną znacząco wpłynąć na ogólną geometrię czarnej dziury, a tym samym ją zmienić.
Ostateczny wynik tego dynamicznego procesu jest nadal niejasny, ale badania sugerują, że czarna dziura nie może ustabilizować się w geometrii Kerra, przynajmniej w długich skalach czasowych, chociaż prędkość i wielkość odchyleń od czasoprzestrzeni Kerra pozostają w fazie badań. Jak wyjaśnia Stefano Liberati, profesor w SISSA i jeden z autorów badania: „Wynik ten sugeruje, że rozwiązanie Kerra – wbrew wcześniejszym założeniom – nie może dokładnie opisać obserwowanych czarnych dziur, przynajmniej w typowej skali czasu ich istnienia”.
Łączenie teorii i obserwacji
Zrozumienie roli tej niestabilności jest zatem niezbędne do udoskonalenia teoretycznych modeli wnętrz czarnych dziur i ich związku z ogólną strukturą tych obiektów. W tym sensie może stanowić brakujące ogniwo między modelami teoretycznymi a potencjalnymi obserwacjami fizyki wykraczającymi poza ogólną teorię względności. Ostatecznie wyniki te otwierają nowe perspektywy w badaniu czarnych dziur, oferując możliwość pogłębienia wiedzy na temat ich wewnętrznej natury i dynamicznego zachowania.
Odniesienie: „Masowa inflacja bez horyzontów Cauchy’ego” Raúla Carballo-Rubio, Francesco Di Filippo, Stefano Liberati i Matta Vissera, 1 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.181402
