Nowe obserwacje mają na celu zbadanie wewnętrznej dynamiki czarnych dziur i jej wpływu na przyszłe obserwacje astrofizyczne.
Czarne dziury wciąż urzekają naukowców: są to obiekty czysto grawitacyjne, niezwykle proste, a jednak skrywające tajemnice stanowiące wyzwanie dla naszego rozumienia praw natury. Większość dotychczasowych obserwacji koncentrowała się na ich cechach zewnętrznych i otaczającym środowisku, pozostawiając ich wewnętrzną naturę w dużej mierze niezbadaną.
Naukowcy z Uniwersytetem Południowej Danii w Odense, Uniwersytetem Karola w Pradze, Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA) w Trieście i Victoria University of Wellington w Nowej Zelandii, opublikowane w „Physical Review Letters” badają wspólny aspekt najbardziej wewnętrznego obszaru różnych modeli czasoprzestrzeni opisujących czarne dziury – i sugerują, że nasze zrozumienie tych dynamicznych obiektów może wymagać dalszych badań.
Rozwiązanie Kerra równań ogólnej teorii względności jest najdokładniejszą reprezentacją wirujących czarnych dziur obserwowanych w astrofizyce grawitacyjnej. Przedstawia ono czarną dziurę jako wir w czasoprzestrzeni charakteryzujący się dwoma horyzontami: zewnętrznym, poza którym nic nie może uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym, oraz wewnętrznym, który otacza osobliwość pierścieniową – obszar, w którym czasoprzestrzeń, jaką znamy, przestaje istnieć. Model ten jest zgodny z obserwacjami, ponieważ odchyleniami od teorii Einsteina poza czarną dziurą rządzą nowe parametry fizyczne, które regulują rozmiar jądra. Badacze spodziewają się, że jądra te będą dość małe.
Według autora korespondencyjnego omawianego artykułu, docenta Raúla Carballo-Rubio z ośrodka badawczego CP3-Origins na Uniwersytecie Południowej Danii, kluczowym wnioskiem z tego badania jest to, że wewnętrzna dynamika czarnych dziur, która pozostaje w dużej mierze niezbadana, może radykalnie zmienić nasze rozumienie tych obiektów, nawet z perspektywy zewnętrznej.
Jednak ostatnie badania przeprowadzone przez ten międzynarodowy zespół zwróciły uwagę na kluczową kwestię dotyczącą wnętrza tych obiektów: podczas gdy wiadomo było, że statyczny wewnętrzny horyzont charakteryzuje się nieskończoną akumulacją energii, nowe ustalenia wskazują, że nawet bardziej dynamiczne czarne dziury wykazują znaczną niestabilność w stosunkowo krótkich skalach czasowych. Niestabilność ta wynika z akumulacji energii, która rośnie wykładniczo w czasie, aż osiągnie skończoną, ale niezwykle dużą wartość, która może znacząco wpłynąć na ogólną geometrię czarnej dziury, a tym samym ją zmienić.
Ostateczny wynik tego procesu jest nadal niejasny, ale omawiany artykuł sugeruje, że czarna dziura nie może ustabilizować się w geometrii Kerra, przynajmniej w długich skalach czasowych, chociaż prędkość i wielkość odchyleń od czasoprzestrzeni Kerra pozostają przedmiotem badań.
Jak wyjaśnia Stefano Liberati, profesor w SISSA i jeden z autorów pracy, wynik ten sugeruje, że rozwiązanie Kerra – wbrew wcześniejszym założeniom – nie może dokładnie opisywać obserwowanych czarnych dziur, przynajmniej w typowych skalach czasowych ich istnienia.
Zrozumienie roli tej niestabilności jest zatem niezbędne do udoskonalenia teoretycznych modeli wnętrza czarnych dziur i ich związku z ogólną strukturą tych obiektów. W tym sensie może to stanowić brakujące ogniwo między modelami teoretycznymi a potencjalnymi obserwacjami fizyki czarnych dziur wykraczającymi poza ogólną teorię względności. Ostatecznie wyniki te otwierają nowe perspektywy badania czarnych dziur, dając możliwość pogłębienia naszego zrozumienia ich wewnętrznej natury i dynamicznego zachowania.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: SISSA
Na ilustracji: Symulacja przedstawiająca masywną czarną dziurę w centrum galaktyki. Źródło: NASA, ESA i D. Coe, J. Anderson oraz R. van der Marel (STScI)
