Ученые впервые математически описали появление черных дыр
Физики впервые смогли математически описать нестандартное состояние пространства-времени, возникающее на пороге формирования черной дыры. Оказалось, что в этот момент искажение пространства-времени способно выстраиваться в повторяющиеся структуры, напоминающие временные кристаллы.
Стандартные уравнения общей теории относительности Эйнштейна перестают работать в моменты образования черных дыр из-за экстремальной гравитации. Из-за этого на протяжении десятилетий специалисты изучали процесс в основном при помощи компьютерных симуляций.
Самой сложной областью считается критический коллапс — состояние на границе между рассеиванием материи обратно в пространство и окончательным схлопыванием в черную дыру. В 1993 году физик Мэттью Чоптуик обнаружил, что в такие моменты пространство-время демонстрирует дискретное самоподобие: повторяющиеся структуры, формирующиеся на все меньших масштабах.
До сих пор никому не удавалось описать этот феномен точными математическими формулами. Группа исследователей из Венского технического университета и Университета Гете во Франкфурте нашла способ сделать это.
Кристаллы пространства-времени являются крайне необычным объектом — нестабильным промежуточным состоянием. При добавлении небольшого объема энергии они могут неожиданно трансформироваться в микроскопическую черную дыру.
Найти решение помогла идея представить Вселенную не четырехмерной, а многомерной, с десятками или сотнями пространственных измерений. В многомерной модели гравитация способна концентрироваться локально около зоны коллапса, а не распределяться по всему пространству.
Используя этот подход, исследователи вывели аналитические формулы, описывающие фрактальные повторяющиеся структуры искажения пространства-времени при образовании черных дыр. Важно, что аналогичные математические закономерности сохранились и при возврате к меньшему числу измерений, что говорит о фундаментальной природе явления.
Авторы надеются, что новый метод позволит изучать процессы формирования и существования черных дыр на основе точных решений, а не только численных расчетов на суперкомпьютерах.