чёрная дыра со скалярными волосами

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

Чёрная дыра — это не просто тёмный объект с горизонтом событий. В теории струн у неё могут появляться «волосы» — дополнительные скалярные поля, такие как аксион и дилатон. Эти поля мягко изменяют геометрию пространства-времени вокруг дыры.

Чёрная дыра в классическом представлении напоминает идеально гладкий шар: у неё нет никаких деталей, кроме массы, заряда и вращения. Это свойство называют «отсутствием волос» — теоремой об отсутствии волос.

Кастрюля с кипящей водой накрыта двумя крышками — внутренней и внешней. Термометр под каждой показывает свою температуру, но их гармоническое среднее (особый способ усреднения, когда складывают обратные величины) всегда остаётся неизменным. Тепло словно подчиняется невидимому правилу.

Чёрная дыра, сидящая на тонкой вселенской мембране (бране), напоминает тяжёлый шар, натянувший эластичную плёнку. В классической физике она лысая — только масса, заряд и вращение. Но стоит добавить скалярное поле (невидимую субстанцию вроде температуры) — и дыра может самопроизвольно обрасти «мехом» из этого поля. Это и есть спонтанная скаляризация.

Две чёрные дыры проносятся мимо друг друга, как гоночные болиды на встречных полосах. В обычной общей теории относительности они остаются «лысыми» — никаких дополнительных полей вокруг них не возникает. Но если в уравнения добавить скалярное поле (нечто вроде невидимого тумана, пронизывающего пространство), правила меняются.

В центре внимания — черная дыра, но не простая. Она несет в себе магнитный монополь и окружена дилатоном — полем, которое размывает привычные границы пространства. Авторы проверили, насколько такая система устойчива к тепловым толчкам. Магнитный монополь — гипотетическая частица с одним магнитным полюсом.

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.

Бросьте камень в пруд — по воде побегут круги. Самый заметный круг родился от самого сильного всплеска. Примерно так физики представляют рост возмущений вокруг чёрной дыры: если в системе есть неустойчивость, первой должна проявиться самая «громкая» её составляющая — та, что нарастает быстрее всех. Но новая работа показывает, что эта простая картина иногда даёт сбой.

Мыльный пузырь, в котором заперто электричество, а стенки сделаны из невидимого поля — примерно так выглядит чёрная дыра с «резонансными волосами». Это не настоящие волосы, а облако скалярного поля, которое удерживается вокруг дыры за счёт собственных взаимодействий. Само поле похоже на невидимую упругую пену: оно не разлетается, потому что его частицы слегка притягиваются друг к другу.

Обычная чёрная дыра похожа на воронку, в центре которой пространство и время обрываются в точку — сингулярность. Там плотность становится бесконечной, а законы физики перестают работать. Но что, если внутри вместо обрыва — гладкое дно? Авторы работы сконструировали именно такую модель.

Классические чёрные дыры — области пространства-времени с гравитацией настолько мощной, что даже свет не может их покинуть, — согласно общей теории относительности скрывают в своём центре сингулярность: точку бесконечной плотности и кривизны, где известные законы физики теряют смысл.