Astrofyzici prišli s prevratnou teóriou: Čierne diery nemusia byť tým, čo si myslíme
Nová štúdia ukazuje, že pomocou kvantovo-gravitačných korekcií možno eliminovať singularitu v čiernych dierach bez potreby exotickej hmoty. Ich model umožňuje vznik regulárnych čiernych dier, čím sa otvára cesta k zjednoteniu kvantovej mechaniky s teóriou relativity.
Odkedy Einsteinova všeobecná teória relativity predpovedala existenciu čiernych dier, vedecká obec venovala mimoriadnu pozornosť jednej ich zvláštnej charakteristike: singularite v ich centre. Tento bod, ukrytý za horizontom udalostí, nie je len matematickou anomáliou a teda predstavuje hranicu našich znalostí fyziky, kde prestávajú platiť všetky známe zákony. Nedávne štúdie naznačujú, že kvantové javy by mohli tento problém vyriešiť úplnou elimináciou singularít, čo otvára nové možnosti pre teóriu kvantovej gravitácie. Na tému upozornil portál ArXiv.
V roku 1915 Albert Einstein zverejnil prelomovú prácu o všeobecnej teórii relativity. Už o rok neskôr nemecký fyzik Karl Schwarzschild našiel exaktné riešenie týchto rovníc, ktoré implikovalo existenciu extrémnych objektov, zvaných ako čierne diery. Tieto telesá majú takú koncentrovanú hmotnosť, že nič, dokonca ani svetlo, nemôže uniknúť ich gravitačnému pôsobeniu.
Avšak už od počiatku sa objavili znepokojujúce aspekty. V šesťdesiatych rokoch sa ukázalo, že zakrivenie časopriestoru v centre čiernej diery dosahuje nekonečné hodnoty, teda vzniká singularita. Táto koncepcia nie je len teoretickým problémom, ak by existovala, znamenalo by to, že všeobecná relativita zlyháva v extrémnych podmienkach.
Vedci dnes rozlišujú tri hlavné modely čiernych dier podľa toho, ako sa vyrovnávajú so singularitou. Prvým je klasická čierna diera, ktorá podľa všeobecnej teórie relativity obsahuje singularitu aj horizont udalostí. Druhým typom je takzvaná regulárna čierna diera. Tá sa síce podobá klasickej čiernej diere, no v jej strede sa nenachádza singularita, ale stále má horizont udalostí. Tretím modelom je napodobňovač čiernej diery, ktorý navonok vyzerá ako čierna diera, ale nemá ani singularitu, ani horizont udalostí. Tieto alternatívne modely vznikli na základe úvah, že kvantové efekty by mohli zabrániť vzniku nekonečne hustého bodu v centre čiernej diery. Hoci doterajšie pozorovania, ako sú gravitačné vlny alebo snímky tieňov čiernych dier, skúmajú najmä ich vonkajšie prejavy, zatiaľ nám neprezradili, čo sa deje v ich vnútri. Vedci preto dúfajú, že ďalšie, presnejšie merania a nové pozorovacie metódy im v budúcnosti umožnia rozlíšiť, ktorý z týchto modelov najlepšie vystihuje skutočnú povahu čiernych dier.
Tieto objekty zachovávajú horizont udalostí, ale eliminujú singularitu prostredníctvom kvantovo-gravitačných korekcií. Štúdia vedcov z Inštitútu kozmických vied Barcelonskej univerzity (ICCUB) ukazuje, že nekonečný rad vyšších gravitačných korekcií vedie k samovoľnému „vyliečeniu“ singularít bez potreby exotickej hmoty. Ako uvádza Pablo A. Cano z ICCUB:
Neprehliadni
„Krása nášho modelu spočíva v tom, že vychádza výlučne z modifikácií Einsteinových rovníc predpovedaných kvantovou gravitáciou.“
Tieto objekty reprodukujú vonkajšie vlastnosti čiernych dier (ako gravitačné šošovkovanie), ale chýba im horizont udalostí aj singularita. Podľa Liberatiho z IFPU by vysokorozlíškové snímky z teleskopu Event Horizon Telescope mohli odhaliť charakteristické fotónové prstence, ktoré by rozlíšili napodobňovače od klasických čiernych dier.
Eliminácia singularít nie je len teoretickou kuriozitou. Predstavuje kľúčový krok k zjednoteniu relativity a kvantovej mechaniky, čo by vysvetlilo správanie čiernych dier v Planckových mierkach (10^-35 metrov). Štúdia ICCUB demonštruje, že čistá gravitácia, zároveň bez exotických foriem hmoty, stačí na vytvorenie regulárnych čiernych dier. Tento poznatok výrazne zjednodušuje podmienky potrebné pre ich existenciu.
Robie Hennigar z ICCUB zdôrazňuje:
„Väčšina vedcov súhlasí, že singularity relativity sa musia vyriešiť. Naša práca poskytuje prvý mechanizmus, ako to dosiahnuť robustným spôsobom.“
V budúcnosti budú vedci využívať stále presnejšie prístroje a nové metódy, aby lepšie preskúmali povahu čiernych dier a ich vnútornú štruktúru. Očakáva sa, že ďalšie generácie gravitačných detektorov, ako aj vylepšené teleskopy, umožnia zachytiť jemné rozdiely v správaní sa čiernych dier. Vedci sa zamerajú napríklad na podrobné pozorovanie svetla, ktoré sa ohýba v blízkosti čiernej diery, alebo na analýzu gravitačných vĺn vznikajúcich pri zrážkach čiernych dier. Tieto údaje by mohli odhaliť drobné odchýlky od predpovedí klasickej teórie relativity, ktoré by naznačovali existenciu alternatívnych modelov bez singularít. Okrem toho sa bude skúmať aj prípadné tepelné žiarenie z povrchu objektov, ktoré by mohli byť napodobňovačmi čiernych dier. Všetky tieto nové metódy dávajú nádej, že v najbližších rokoch sa podarí získať viac informácií o tom, čo sa skutočne skrýva v srdci čiernych dier.
Hoci teoretické modely sú sľubné, pozorovacie dôkazy zatiaľ chýbajú. Liberati pripomína:
„Regulárne čierne diery nikdy nie sú úplne identické so štandardnými, dokonca ani mimo horizontu.“
Tento fakt vytvára priestor pre experimentálne overenie v nasledujúcej dekáde. Výskum v tejto oblasti má potenciál revolucionizovať náš pohľad na časopriestor. Ako poznamenáva Hennigar:
„Dúfame, že náš model pomôže lepšie pochopiť, ako príroda zabraňuje vzniku singularít.“
S príchodom nových observatórií (ako Einstein Telescope či Vesmírny interferometer LISA) sa ocitáme na prahu éry, kedy teória a pozorovania spoločne preskúmajú túto neznámu oblasť fyziky.
Komentáre