безмассовое скалярное поле

Чёрная дыра, раскрученная почти до максимальной скорости вращения, подобна спортсмену, балансирующему на грани рекорда. Наиболее интригующие эффекты возникают не в самой сингулярности, а в тончайшей плёнке пространства-времени у горизонта событий.

Классическая чёрная дыра — это бездонный колодец: всё, что падает за горизонт событий, исчезает в точке бесконечной плотности — сингулярности.

Свет издалека огибает чёрную дыру, как велосипедист — крутой поворот. Чуть ближе — и он уже наматывает круги по невидимой сфере из фотонов, которую физики называют фотонной сферой. Такая сфера есть у каждой чёрной дыры, но обычно она шаткая: малейший толчок — и свет улетает прочь или падает внутрь.

Чёрная дыра — это область пространства-времени, где гравитация столь сильна, что даже свет не может её покинуть. Но в её окрестностях, помимо обычного вещества, может существовать нечто неуловимое: скалярное поле — гипотетическое поле, описывающее тёмную материю через квантовые частицы с нулевым спином.

$$10^{-35}$$ секунды. Крохотное мгновение, за которое Вселенная успевает расшириться в $$10^{26}$$ раз. Сразу после этого она проходит через тысячи быстрых превращений — словно шарик, скачущий по цепочке туннелей. Этот каскад составляет суть цепочечной инфляции, впервые предложенной Аланом Гутом. В простейшей модели все туннели одинаковы.

Облако волн сжимается под собственной тяжестью. Пока оно рыхлое, всё идёт по учебнику: гравитационное поле слегка колеблется в почти плоском пространстве, и приближённые формулы работают отлично. Но стоит добавить чуть больше энергии — и картина меняется. Физики использовали численную модель, чтобы поймать момент, когда простые расчёты перестают описывать реальность.

В центре галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё раскинулось огромное разреженное облако тёмной материи. Оно не светится, не греет, но своей тяжестью искривляет пространство и меняет правила игры для всего, что крутится рядом.

Гравитация — невидимый клей, который держит звёзды и планеты. Но что, если у этого клея есть крошечная масса? В теории массивной гравитации частицы-переносчики (их называют гравитонами) весят ничтожно мало, но не ноль. Это меняет правила игры вблизи чёрных дыр. Авторы новой работы взяли за основу математический инструмент — разложение по собственным значениям.

Гибель массивной звезды — это не просто вспышка сверхновой, но и рождение чёрной дыры.

В центре внимания — чёрная дыра необычной формы. Её геометрия напоминает веретено: к обычному вращению добавлена лёгкая вытянутость. Параметр B измеряет эту деформацию. Деформация веретена — не просто математическая игрушка.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

Черная дыра в классической теории — это место, где вещество сжимается в точку с бесконечной плотностью. Такая «сингулярность» выглядит как ошибка в уравнениях: природа вряд ли терпит бесконечности. Многие физики ищут способы «сгладить» этот провал, и одна из идей — изменить саму теорию гравитации на малых расстояниях.

В центре обычной чёрной дыры, по классическим представлениям, прячется сингулярность — точка бесконечной плотности, где законы физики перестают работать. Но некоторые теории, вдохновлённые идеей дуальности из теории струн, предлагают заменить точку на крошечную «размазанную» область.

Черная дыра внутри устроена слоями, как луковица. В новой модели вместо бесконечной точки в центре — три области: плотное ядро, переходный слой и корка под самым горизонтом. Все они возникают из одного поля, которое само с собой взаимодействует. Ядро — это область отрицательной энергии, похожая на конденсат частиц без движения.

Чёрная дыра в учебнике похожа на идеально гладкий шар: всё, что снаружи, спокойно улетает на бесконечность. Однако квантовая теория гравитации рисует другую картину. Недавно в рамках петлевой квантовой гравитации нашли решение — «Крускаловскую» чёрную дыру, где пространство-время за горизонтом ведёт себя иначе.

Космос пронизан магнитными полями. Они есть у галактик, звёзд и даже в почти пустых войдах (огромных пустотах между скоплениями галактик). Обычно считается, что поля усиливаются из слабых «затравочных» полей благодаря турбулентности — как динамо-машина. Но природа самих затравочных полей оставалась загадкой. Новая работа предлагает неожиданный механизм.

Чёрная дыра с магнитным полем напоминает водоворот в реке, где вода не утекает в воронку, а закручивается на месте. Обычно вращение дыры подхватывает волны и усиливает их — это называют сверхизлучением. Но если добавить магнитное поле, всё меняется.

Крошечная звезда кружится вокруг гигантской вращающейся чёрной дыры. Постепенно она приближается по спирали, и этот танец длится тысячи лет. Всё это время в пространстве расходятся волны — как круги на воде, только это гравитационные волны. Их можно «услышать» специальными детекторами.

Пространство-время не пусто — оно дрожит. После Большого взрыва Вселенную наполнял гул гравитационных волн, похожий на низкий гул гигантского колокола. В этой ряби, как выяснилось недавно, могут рождаться частицы тёмной материи — невидимого вещества, которое скрепляет галактики. Но у прежней идеи была загвоздка.

В микромире сильного взаимодействия — самого мощного клея природы — кварки никогда не гуляют в одиночку. На больших расстояниях они слипаются в знакомые нам протоны и нейтроны. Но при экстремальном сжатии, как в недрах нейтронной звезды, этот клей создаёт куда более причудливые формы материи.

В центре галактики огромная чёрная дыра окутана невидимым облаком — роем сверхлёгких частиц, которые она сама и породила. В это облако ныряет другая чёрная дыра, размером со звезду, и начинает долгий танец по спирали. Сближение длится миллионы лет, но самые драматичные события разворачиваются у самого горизонта. Орбита маленькой дыры редко бывает идеальным кругом.

Два магнита сталкиваются в тёмной комнате, слипаются в комок — и раздаётся глухой стук. Примерно так же ведут себя чёрные дыры, только вместо магнитов у них электрический заряд, а вместо стука — всплеск гравитационных волн. Но в этой истории есть третий участник — невидимое поле, которое физики называют скалярным.

Странный вышел бы бильярд, если бы шары не имели массы. Они бы не сталкивались, а проходили друг сквозь друга, не замечая препятствий. Примерно так выглядит попытка представить свет как поток классических частиц — маленьких упругих телец, летящих по прямой. Новое доказательство ставит на этой картине крест.

Кротовая нора похожа на туннель с очень узким горлом. Если отправить в такой туннель звуковой сигнал, часть эха вернётся, а часть застрянет в середине — и будет выходить наружу очень медленно. Именно так ведут себя скалярные частицы (простейший тип частиц без спина) в расчётах для четырёхмерной проходимой кротовой норы.

Если бросить камешек в пруд, по воде пойдут круги. Примерно так же «звучит» чёрная дыра, когда в неё падает материя или когда её пространство-время слегка встряхивает. Эти затухающие колебания называют квазинормальными модами — как звон колокола, который постепенно стихает.

Пустота умеет преподносить сюрпризы. В общей теории относительности есть решение, где пространство само рождает чёрную дыру — буквально из точки. Всё начинается в момент, когда горизонт событий (поверхность, из-под которой не выходит даже свет) появляется с радиусом ноль и тут же начинает расти.

Самый древний свет во Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Он родился, когда космос только стал прозрачным, и с тех пор его плоскость колебаний едва заметно поворачивается. Причина — невидимый океан, пронизывающий всё пространство: поле тёмной энергии, которое заставляет Вселенную расширяться всё быстрее.

Чёрная дыра похожа на колодец без дна. Можно измерить, сколько воды в него утекло, глядя на уровень снаружи. Но как узнать массу самой воды, если стоишь внутри колодца? Примерно эту задачу решают авторы новой работы. Они построили «весы» для массы, заключённой в ограниченной области пространства — например, вокруг горизонта чёрной дыры. Такую массу называют квазилокальной (почти местной).

В стандартном представлении чёрная дыра — это лишь безликий провал в пространстве-времени, область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может её покинуть.

Бросьте горсть песка в спокойную воду — круги разойдутся и исчезнут. Бросьте её в работающий миксер — вихри перемешают всё мгновенно. В физике есть похожее правило: хаос не может нарастать быстрее определённого темпа. Этот предел, словно ограничитель скорости, долго считался нерушимым для многих систем — от квантовых частиц до чёрных дыр.

Пушистый шар из невидимой паутины окутывает чёрную дыру. Эта паутина — тёмная материя, которая не светится, но своим весом управляет движением звёзд на окраинах галактик. Астрофизики давно видят такие «пушистые» облака вокруг космических объектов и рисуют их профили — как плотность падает от центра к краю.

Обычная материя, описываемая Стандартной моделью — это всё, что мы видим: звёзды, планеты, сам свет. Однако она составляет лишь малую долю Вселенной. Остальное — тёмная материя, возникшая после Большого взрыва. Её природа неизвестна, но одна из гипотез предполагает существование сверхлёгких частиц.

Классическая картина чёрной дыры, заложенная Эйнштейном и Шварцшильдом, рисует бездну с точечной сингулярностью в центре — областью, где плотность обращается в бесконечность, а известные законы физики теряют силу.

Звук распространяется сквозь среду с определённой скоростью. Когда среда движется быстрее звука, волны увлекаются потоком — подобно щепке, затянутой в водоворот. В сверхтекучем гелии — жидкости, лишённой вязкости и трения — быстрое вращение порождает квантованные вихри, напоминающие микроскопические воронки.

Эйнштейн и Розен вообразили мост, соединяющий два листа реальности. Уилер дал ему имя — кротовой норой, а Торн с Моррисом доказали: туннель проходим, если заполнить его экзотической материей.

Магнит, поднесённый к горсти железных опилок, выстраивает их вдоль невидимых линий — так поле огибает магнит от полюса к полюсу. Похожим образом можно увидеть и гравитацию вокруг массивных тел: только вместо опилок — само пространство, а вместо магнита — звезда или чёрная дыра. Авторы работы предложили разложить гравитацию на два поля. Одно похоже на электрическое — оно тянет.

Пространство-время иногда напоминает лист бумаги, в котором можно проделать дырку и соединить края короткой трубкой — получится кротовая нора. В самых простых математических моделях таких нор появляются безмассовые скалярные поля — нечто вроде невидимого тумана, заполняющего всё вокруг.

Качели раскачиваются всё сильнее, если толкать их в такт. Похожий механизм включается, когда мёртвая звезда кружит вокруг массивной чёрной дыры, окутанной облаком сверхлёгких частиц. Эти частицы — кандидаты на роль тёмной материи (невидимого вещества, которое держит галактики от разлёта).

Магнитное поле способно удерживать звезду от полного сжатия — так работает идея новой чёрной дыры. Вместо привычной точки бесконечной плотности внутри оказывается поле, которое не даёт пространству схлопнуться до нуля. Это похоже на пружину: чем сильнее сжимаешь, тем больше она сопротивляется.

Волчок, раскрученный до предела, меняет движение воздуха вокруг себя — тот закручивается иначе, чем у едва вращающегося. С чёрными дырами в некоторых расширенных теориях гравитации происходит похожее. Когда дыра вращается достаточно быстро, само искривлённое пространство-время у её полюсов приобретает новые свойства.