Физик оправдал принцип космической цензуры

43b9b91d6d3e123834c7f114c9160b62.png

Американский физик Уильям Ист численно смоделировал коллапс вытянутого эллипсоида, заполненного пылью, и показал, что гипотеза космической цензуры в этом случае не нарушается, как это предполагалось ранее.

Оказалось, что вместо голых сингулярностей при коллапсе в материи формируются каустики, а все сингулярности в конце концов накрываются горизонтом событий. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Несмотря на то, что Общая теория относительности (ОТО) описывает большинство наблюдаемых гравитационных явлений, она не является полной. Одна из самых больших проблем ОТО - существование гравитационных сингулярностей, в которых кривизна пространства-времени обращается в бесконечность. В частности, такие сингулярности возникают в центре черной дыры Шварцшильда. Очевидно, что для описания процессов в окрестности сингулярности нужно учитывать не только гравитационные, но и квантовые эффекты. Грубо говоря, чем ближе мы подходим к сингулярности, тем больше рождается виртуальных частиц, которые, в свою очередь, искривляют пространство-время и разрушают исходную геометрию. К сожалению, физики до сих пор так и не построили Теорию Всего, которая объединила бы ОТО и Квантовую теорию поля. Поэтому никто не знает, как выглядит сингулярность на самом деле.

Поскольку решить эту проблему не представлялось возможным, в 1969 году Роджер Пенроуз выдвинул так называемый принцип космической цензуры. Этот принцип утверждает, что сингулярность появляется только в таких местах пространства-времени, которые внешний наблюдатель никогда не увидит - например, под горизонтом событий черной дыры. Следовательно, объяснять процессы в окрестности сингулярности бесполезно - даже самое лучшее объяснение все равно никогда не удастся проверить. Впрочем, у принципа космической цензуры есть два больших недостатка. Во-первых, он не решает проблему с сингулярностями, а просто заметает ее под ковер. Во-вторых, этот принцип является всего лишь гипотезой.

Хуже того - в 1991 году Стюарт Шапиро (Stuart Shapiro) и Сол Теукольский (Saul Teukolsky) как будто бы обнаружили, что в некоторых случаях гипотеза космической цензуры может нарушаться. Для этого ученые рассмотрели немного экзотическую ситуацию - гравитационный коллапс вытянутого эллипсоида, равномерно заполненного пылью, то есть частицами, которые свободно проходят друг сквозь друга. Траектории частиц и кривизну пространства-времени исследователи рассчитывали численно. Оказалось, что в такой ситуации кривизна пространства-времени обращается в бесконечность в двух веретенообразных областях, которые лежат вне коллапсирующей материи и не успевают прикрыться кажущимся горизонтом до тех пор, пока численная модель ученых не потеряет применимость. Поэтому физики заключили, что найденные сингулярности нарушают принцип космической цензуры. Впрочем, их расчеты не позволяли доказать, что сингулярности не прикроются горизонтом событий после того, как их программа становится бесполезной - а значит, это опровержение нельзя назвать абсолютно последовательным.

Кажущийся горизонт (apparent horizon) - это поверхность, из-под которой лучи света не могут выйти в данный момент. Из-под настоящего горизонта событий лучи света не могут выйти в бесконечном будущем, поэтому он охватывает более обширную область, чем кажущийся горизонт. Например, под ним оказываются лучи, которые временно выбрались за горизонт, а потом снова были притянуты черной дырой. В новой статье физик Уильям Ист (William East) пересмотрел задачу Шапиро и Теукольского и показал, что на самом деле она не противоречит принципу космической цензуры. Для этого ученый использовал более современные методы, которые он разработал в предыдущей статье, посвященной коллапсу сталкивающихся гравитационных волн. Кроме того, в отличие от Шапиро и Теукольского Ист следил не только за скалярной кривизной пространства-времени, но и за плотностью материи. В качестве параметров модели ученый выбрал те же параметры, что и в статье 1991 года: отношение большой полуоси к полной массе эллипсоида b/M = 10 и значение эксцентриситета e = 0,9.

Так же, как и в статье 1991 года, Ист увидел образование областей с большой скалярной кривизной, не прикрытых кажущимся горизонтом. При уменьшении шага решетки, на которой моделировался коллапс, кривизна в этих областях росла. Тем не менее, одновременно с кривизной в этих областях бесконечно росла плотность материи. Это указывало на то, что рост кривизны связан не с образованием сингулярности, а с развитием каустик. Продолжая расчет после образования каустик, физик подтвердил, что материя быстро сжимается и разрушается, и в конце концов в пространстве возникает кажущийся горизонт, который охватывает всю коллапсирующую материю. Одновременно система излучает мощные гравитационные волны, которые уносят около процента массы системы. Наконец, продолжая следить за кажущимся горизонтом, исследователь показал, что он приближается к горизонту событий, но уже никогда не обнажает сингулярности.

Распределение плотности материи (слева) и кривизны (справа) в момент времени, когда впервые формируется каустика. Чем желтее точка - тем больше значение соответствующего параметра

William East / Physical Review Letters, 2019