Черная дыра с кварковым секретом экспресс
В центре многих галактик прячутся сверхмассивные черные дыры. Одна из них — Стрелец А* в сердце Млечного Пути — стала полигоном для новой идеи. Авторы работы взяли эйнштейновскую гравитацию и добавили к ней необычное электромагнитное поле. Оно устроено так, что имитирует конфайнмент — явление, которое намертво запирает кварки внутри протонов и не дает им разлететься. Так родилась метрика с логарифмической поправкой, управляемой параметром ζ. Она меняет и горизонт событий, и окрестности сингулярности.
С помощью метода туннелирования для дираковских фермионов физики вычислили температуру Хокинга. Оказалось, что ζ-члены гасят бешеный рост температуры у маленьких дыр и намекают на существование остатка — стабильного сгустка, который не испаряется до конца. Затем в игру вступили квантово-гравитационные флуктуации, учтенные через энтропию Барроу с параметром деформации Δ. В расширенном фазовом пространстве рассчитали целый букет термодинамических величин: внутреннюю энергию, свободную энергию, давление, теплоемкость, изотермическую сжимаемость и коэффициент Джоуля-Томсона. Теплоемкость указала на зоны стабильности, зависящие от Δ, а сжимаемость всюду осталась отрицательной. Это значит, что черная дыра ведет себя не как газ, а как жесткое, механически неподатливое тело.
Главный сюрприз преподнесла геометрия. Четыре разные величины — пик хокинговской температуры, расходимость теплоемкости, инверсия эффекта Джоуля-Томсона и ноль радиальной приливной силы — сошлись на одном и том же радиусе r⋆. Он определяется простым условием: вторая производная функции A(r) равна нулю. А экстремальный горизонт и ноль угловой приливной силы совпали через первую производную на горизонте. Это сводит весь анализ критических точек к двум скалярным уравнениям. Приливные ускорения, которые разорвали бы астронавта, наложились на термодинамические кривые. Наложив данные телескопа Event Horizon Telescope для Стрельца А*, авторы получили ограничение ζ ≲ 0,7 при заряде Q/M = 0,5. Окно для новой физики остается приоткрытым, а конфайнмент-член обещает заметные поправки к отклонению геодезических — траекторий пробных частиц.
Сжимаемость этой черной дыры отрицательна — если бы ее можно было сжать, она бы расширилась в ответ, как упрямая пружина.
Идея стабильного остатка черной дыры напоминает «квантовые семена» из романа Грега Игана «Лестница Шильда», где микроскопические черные дыры становятся строительными блоками новой физики.