Międzynarodowy zespół astrofizyków odkrył, że czarnym dziurom mogą rosnąć trwałe „włosy”, gdy będą odpowiednio szybko się obracały. Okrycie może istotnie rozszerzyć naszą wiedzę o czarnych dziurach i Wszechświecie.
Opis czarnych dziur w Ogólnej Teorii Względności (dalej będzie używany skrót OTW) jest bardzo prosty. Stabilną czarną dziurę charakteryzują tylko trzy następujące wielkości fizyczne: masa, rotacja i ładunek elektryczny. W rzeczywistości tylko dwie pierwsze z nich są istotne, ponieważ jest mało prawdopodobne, by czarne dziury posiadały większy ładunek elektryczny.
Ta właściwość czarnych dziur często jest opisana twierdzeniem o braku włosów. Mianowicie, gdy już materia spadnie na czarną dziurę, to niezależnie od tego, co to było (rakieta, gwiazda, czerwona Tesla Roadster ze Starmanem, planeta, Łajka, ...), jedyną cechą, która pozostanie, jest masa. W każdym przypadku horyzont zdarzeń czarnej dziury pozostaje idealnie gładki – bez dodatkowych właściwości. Jacob Bekenstein określił to obrazowo, że czarne dziury nie mają włosów.
OTW, pomimo niezwykłych sukcesów, ma problem z mechaniką kwantową. Szczególnie to widać w przypadku czarnych dziur. Jeżeli twierdzenie o braku włosów jest słuszne, to wtedy informacja zawarta w obiekcie jest niszczona po przekroczeniu horyzontu zdarzeń. Natomiast zgodnie z mechaniką kwantową informacja nie może być zniszczona. Dlatego OTW jest sprzeczna z mechaniką kwantową. Prowadzi to do problemów, takich jak paradoks firewalla, który nie pozwala określić, czy horyzont zdarzeń powinien być zimny, czy też gorący.
Rozszerzenia OTW
Zostało zaproponowanych kilka teorii (często są to rozszerzenia OTW), aby rozwiązać tą sprzeczność. Jednak różnica pomiędzy tymi teoriami i OTW ujawnia się dopiero w ekstremalnych warunkach – trudno weryfikowalnych obserwacyjnie. Natomiast nowa publikacja Alexandru Dima (astrofizyk z SISSA i INFN) i współpracowników w „Physical Review Letters” pokazuje, że mogą one być badane za pomocą rotacji (spinu) czarnej dziury.
W naszych pracach rozpatrzyliśmy szeroką klasę rozszerzeń Teorii Grawitacji Einsteina, które dają interesujące przewidywania w ekstremalnych warunkach takich, jak otoczenie czarnych dziur lub gwiazd neutronowych – mówi główny autor publikacji, A. Dima. Pomimo że już we wcześniejszych badaniach uzyskiwano rozwiązania czarnych dziur z „włosami”, to my po raz pierwszy pokazaliśmy dzięki symulacjom numerycznym, że czarnym dziurom może rosnąć spontanicznie najprostszy kształt stałych włosów (pola skalarnego), jak tylko będą one wystarczająco szybko się obracać.
Autorzy omawianej publikacji przedstawili również, w jaki sposób rotacja kontroluje mechanizm wzrostu „włosów” czarnej dziury. Jak już wcześniej wspomniano, w OTW i wielu jej rozszerzeniach, zgodnie z matematycznym twierdzeniem, czarnym dziurom nie mogą rosnąć włosy. Ostatecznie są one tracone poprzez wypromieniowanie fal grawitacyjnych.
Zgodnie z symulacjami grupy astrofizyków, kierowanej przez A. Dimę, gdy już czarna dziura osiągnie pewną prędkość rotacji (spin), włosy mogą powstać na dłużej dzięki „niestabilności tachionowej”. Konieczne są dalsze analizy i obliczenia, aby ostatecznie potwierdzić te wyniki – szczególnie, że są to badania na granicy naszego pojmowania grawitacji.
Takie odkrycia mogą pomóc ludzkości zrozumieć „ciemną stronę” Wszechświata (tzn. ciemną energię, ciemną materię, ???). Podsumowuje to jeden ze współautorów publikacji – prof. Sotiriou (University of Nottingham, UK) – nasze wyniki pokazują, że nowa fizyka może być całkiem ulotna i pojawia się tylko przy dokładnych badaniach właściwego typu czarnych dziur.
Wskazówki do przyszłych eksperymentów
W publikacji A. Dimy i współpracowników zawarte są teoretyczne wskazówki, dotyczące przyszłych eksperymentów. W szczególności – kontynuuje A. Dima – nasze wyniki sugerują, że w zależności od prędkości rotacji uczestniczących obiektów fale grawitacyjne, które powstały w wyniku koalescencji układów podwójnych czarnych dziur, zawsze mogą różnić się od tego, co to tej pory oczekiwano.
W nieodległej przyszłości obserwacje jakiegoś efektu lub brak obserwacji podczas eksperymentów z falami grawitacyjnymi mogą dzięki temu zweryfikować szeroką klasę alternatywnych teorii grawitacji lub prawdopodobnie odkryć oryginalne wskazówki na temat nowej fizyki poza OTW.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa: Spin-induced black hole spontaneous scalarization
ArXiv (wersja bezpłatna): Spin-induced black hole spontaneous scalarization
Not all Black Holes are the same
Black holes gain new powers when they spin fast enough
Black holes, regrowth can be seen
Źródło: SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati)
Na ilustracji: symulacja obrazu akreującej czarnej dziury. Horyzont zdarzeń znajduje się w centrum obrazu. Cień czarnej dziury można zobaczyć z obracającym się dyskiem akrecyjnym, który ją otacza. Źródło: Bronzwaer/Davelaar/Moscibrodzka/Falcke/Radboud University.
