Вчені намагаються дізнатися більше про інформаційний парадокс чорних дір

Чи можна вирішити інформаційний парадокс чорної діри за допомогою “фотонних сфер”?

Чи такі прості чорні діри, як здається, або в їх історії є щось більше?

Ось що розповідають про це Space.com

Теорії, що намагаються вирішити так званий інформаційний парадокс чорних дір, пророкують, що чорні діри набагато складніше, ніж передбачає загальна теорія відносності. Майбутні спостереження за фотонними сферами зможуть перевірити ці теорії.

Інформаційний парадокс

Відповідно до загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, чорні діри дивно прості. Якщо ви знаєте масу, заряд і спін чорної діри, ви знаєте про неї все, що тільки можна знати. Насправді чорні діри – одні з простіших і зрозумілих персонажів у Всесвіті.

Але ця уявна простота породжує тривожний парадокс. У 1970-х роках відомий астрофізик Стівен Хокінг зрозумів, що чорні діри не є абсолютно чорними. Замість цього вони випускають випромінювання завдяки тонкому квантово-механічному процесу, що діє на їх горизонтах подій, або межах чорних дір, куди ніщо, навіть світло, не може вирватися.

Оскільки чорні діри настільки прості й можуть бути описані тільки трьома числами, вся інформація про матеріал, який потрапляє в чорні діри, здається, замкнені назавжди. Неважливо, побудуєте ви чорну діру з мертвих зірок і міжзоряного пилу або чорну діру з котів; до тих пір, поки ці дві чорні діри мають однакові спин, масу і заряд, вони будуть ідентичні.

У початковому формулюванні процесу випромінювання Хокінга це випромінювання не несло в собі ніякої інформації. Але в міру того, як чорна діра випускає випромінювання, воно випаровується, в кінцевому підсумку зникаючи зовсім – звідси так званий інформаційний парадокс чорної діри. Якщо купа інформації падає в чорну діру, а інформація не може бути знищена, то коли чорна діра зникає, куди дівається вся інформація?

За останні кілька десятиліть було зроблено безліч спроб вирішити інформаційний парадокс. Деякі з цих пропозицій пов’язані з розширенням наших знань про загальну теорію відносності. Деякі включають спроби поєднати загальну відносність з нашим розумінням квантової механіки. А деякі просто дуже дивні.

Однак поки всі спроби вирішити інформаційний парадокс були невдалі. Дуже важко спостерігати чорні діри безпосередньо, оскільки ми зазвичай бачимо їх тільки тоді, коли вони взаємодіють з навколишнім середовищем (зазвичай захоплюючи великі згустки газу або пилу) або коли вони зливаються і випускають гравітаційні хвилі.

Але все змінилося у 2019 році, коли глобальна мережа телескопів, відома як “Телескоп горизонту подій”, працювала злагоджено, щоб отримати єдине зображення M87 *, надмасивної чорної діри в центрі галактики Діви.

Це зображення вражає. Темна порожнеча в центрі – це тінь, відкидається горизонтом подій чорної діри, що не дозволяє пробитися світлу за чорну діру. І ця порожнеча оточена примарним кільцем світла, випромінюваного перегрітої плазмою, яке оточує чорну діру.

Вчені намагаються дізнатися більше про інформаційний парадокс чорних дір
Чорна діра M87 в декількох довжинах хвиль
від радіохвиль до гамма-променів, зафіксованих декількома спостереженнями

Що це зображення може розповісти нам про істинну природу горизонтів подій чорних дір?

Горизонт подій самої чорної діри набагато менше її тіні; тінь здається такою великою через екстремальний вигин простору поблизу чорної діри. А десь між горизонтом подій і краєм тіні знаходиться цікава особливість, яка також є результатом екстремального вигину простору: фотонна сфера. Фотонна сфера – це область поблизу чорної діри, де гравітація настільки сильна, що сам світ може обертатися навколо чорної діри.

Орбіти в цій області нестабільні; фотони можуть кілька разів обігнути чорну діру, але вони не залишаться там назавжди. Зрештою, вони витечуть, створивши тонке видиме кільце світла навколо чорної діри.

У класичній загальної теорії відносності ця фотонна сфера настільки тонка, що її практично не існує, і вона дуже слабка, щоб її можна було побачити на зображенні M87 *, отриманому за допомогою телескопа Event Horizon.

Тепер група дослідників вивчила властивості фотонної сфери в теоріях, які намагаються вирішити інформаційний парадокс чорних дірок. Вони виявили, що деякі складні теорії горизонтів подій чорних дір впливають на навколишній їхній простір, включаючи фотонну сферу. У деяких з цих теорій фотонна сфера може бути набагато ширше, а значить, набагато яскравіше для віддалених спостерігачів, пише команда в статті, опублікованій недавно в базі даних препринтів arXiv.

Попри зміни, відмінності в фотонних сферах між класичною відносністю і передбаченнями цих екзотичних моделей все ще занадто малі, щоб їх можна було побачити за допомогою телескопа “Горизонт подій”. Але неймовірне зображення, отримане за допомогою цього телескопа, не буде останнім знімком чорної діри. Майбутні спроби вивчити M87 * та інші надмасивні чорні діри дозволять отримати зображення з вищою роздільною здатністю.

Якщо ми зможемо зрозуміти фотонне кільце, вивчити його ширину і яскравість, це дасть нам підказки про природу горизонту подій і, зрештою, про те, як вирішити інформаційний парадокс чорних дірок.