Физики впервые математически описали переход пространства-времени в черную дыру
Ученым впервые удалось с помощью математических формул описать нестандартное состояние пространства-времени, возникающее на пороге формирования черной дыры. В этот момент, как выяснилось, искривление способно выстраиваться в повторяющиеся структуры, напоминающие так называемые временные кристаллы.
Результаты исследования были представлены в журнале Physical Review Letters. В момент образования черной дыры гравитация становится настолько экстремальной, что стандартные уравнения общей теории относительности Эйнштейна перестают работать, поэтому десятилетиями специалисты изучали этот процесс с помощью компьютерных симуляций.
Самой сложной физики ученые считают область критического коллапса — состояние на границе между двумя исходами: материя либо рассеивается обратно в пространство, либо окончательно схлопывается в черную дыру. Еще в 1993 году физик Мэттью Чоптуик заметил, что в такие моменты пространство-время демонстрирует дискретное самоподобие: повторяющиеся структуры, формирующиеся на все меньших масштабах.
До сих пор никому не удавалось описать данный феномен точными математическими формулами. Группа исследователей из Венского технического университета и Университета Гете во Франкфурте нашла способ это сделать.
Кристалл пространства-времени авторы работы называют крайне необычным объектом, который ведет себя как нестабильное промежуточное состояние. Однако при добавлении небольшого объема энергии они могут неожиданно трансформироваться в состояние микроскопической черной дыры.
Найти решение помогла любопытная математическая идея: эксперты представили Вселенную не четырехмерной, а многомерной — с десятками или сотнями пространственных измерений. В многомерной модели уравнения Эйнштейна становятся проще: гравитация обретает способность концентрироваться локально около зоны коллапса, а не распределяться по всему пространству.
С использованием этого подхода исследователям удалось вывести аналитические формулы, описывающие фрактальные повторяющиеся структуры искривления пространства-времени в процессе образования черных дыр. Важно, что аналогичные математические закономерности сохранялись 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, которые ранее исследовали исключительно численно на суперкомпьютерах.