Загальна теорія відносності є надзвичайно складною математичною теорією, але її опис чорних дір дивовижно простий. Стабільну чорну діру можна описати лише трьома властивостями: її масою, електричним зарядом і обертанням або спіном. Оскільки чорні діри навряд чи мають великий заряд, для цього потрібні лише дві властивості. Якщо ви знаєте масу і обертання чорної діри, ви знаєте все, що потрібно знати про чорну діру.
Цю властивість часто підсумовують за допомогою теорема про відсутність волосся. Зокрема, теорема стверджує, що коли матерія потрапляє в чорну діру, єдиною характеристикою, яка залишається, є маса. Ви можете зробити чорну діру з водню, що міститься в сонці, стільців або тих старих копійNational Geographicз бабусиного горища, і не було б різниці. Маса є масою, що стосується загальної теорії відносності. У кожному разі горизонт подій чорної діри ідеально рівний, без додаткових функцій. Як сказав Джейкоб Бекенштейн, у чорних дір немає волосся.
Конфлікт між теорією відносності та квантовою теорією призводить до парадоксу брандмауера. Авторство: Джеремі Перкінс / Unsplash
Але при всій його передбачуваній силі загальна теорія відносності має проблему з квантовою теорією. Особливо це стосується чорних дір. Якщо теорема про відсутність волосся правильна, інформація, що зберігається в об’єкті, знищується, коли він перетинає горизонт подій. Квантова теорія говорить, що інформація ніколи не може бути знищена. Отже, дійсна теорія гравітації суперечить дійсної теорії квантів. Це призводить до таких проблем, як парадокс брандмауера, який не може вирішити, чи повинен горизонт подій бути гарячим чи холодним.
Для вирішення цього протиріччя було запропоновано кілька теорій, часто передбачаючи розширення теорії відносності. Але різницю між стандартною теорією відносності та цими модифікованими теоріями можна побачити лише в екстремальних ситуаціях, що ускладнює їх вивчення за допомогою спостережень. Але новий папірЛисти з фізичними оглядамипоказує, як їх можна вивчати за допомогою обертання чорної діри.
Прикладом скалярного поля є температура в кімнаті. Авторство: Лукас Вієйра
Багато модифікованих теорій відносності мають додатковий параметр, якого немає в стандартній теорії. Відоме як безмасове скалярне поле, воно дозволяє моделі Ейнштейна зв’язатися з квантовою теорією таким чином, що не є суперечливим. У цій новій роботі команда розглянула, як таке скалярне поле з’єднується з обертанням чорної діри. Вони виявили, що при низьких обертах модифікована чорна діра не відрізняється від стандартної моделі, але при великих обертах скалярне поле дозволяє чорній дірі мати додаткові функції. Іншими словами, у цих альтернативних моделях чорні діри, що швидко обертаються, можуть мати волосся.
Волохаті аспекти обертових чорних дір можна було б побачити лише поблизу самого горизонту подій, але вони також впливали б на злиття чорних дір. Як зазначають автори, майбутні обсерваторії гравітаційних хвиль повинні мати можливість використовувати чорні діри, що швидко обертаються, щоб визначити, чи діє альтернатива загальній теорії відносності.
Загальна теорія відносності Ейнштейна досі подолала всі виклики спостереження, але, ймовірно, вона зруйнується в найекстремальніших середовищах Всесвіту. Такі дослідження показують, як ми могли б відкрити теорію, яка буде наступною.
Довідка:Олександр Діма та ін. “ Спонтанна скаляризація чорної діри, індукована спіном '.Листи з фізичними оглядами125,23 (2020): 231101.