Российские физики выяснили, как отличить чёрную дыру от очень маленькой звезды

Способ отличить чёрные дыры от компактных массивных объектов, которые внешне неотличимы друг от друга, придумали учёные из МФТИ, ИТЭФ и НИУ ВШЭ. Для этого нужно изучить энергетический спектр частиц, которые пролетают по соседству, в одном случае он будет непрерывным, а в другом — дискретным. Об этом сообщает пресс-служба МФТИ.

Чёрные дыры имеют горизонт событий — границу, из-за которой ничто, даже свет, не может вернуться во внешний мир. Радиус этой границы называют радиусом Шварцшильда, в физическом смысле это радиус объекта, для которого вторая космическая скорость становится больше скорости света, а значит, ничто не может преодолеть его тяготение.

Чёрные дыры звёздной массы возникают в результате гравитационного коллапса, происходящего в тот момент, когда звезда "выжигает" все термоядерное горючее и сила газового давления уже не может противостоять гравитации.

Если звезда достаточно массивна, она "схлопывается" до размера меньше радиуса Шварцшильда, превращаясь в чёрную дыру. Однако время у горизонта событий замедляется настолько, что для внешнего наблюдателя процесс коллапса почти останавливается (точно так же корабль, падающий в чёрную дыру, с точки зрения удалённого наблюдателя будет вечно падать к горизонту). По это причине все чёрные дыры, которые наблюдают учёные, – это вечно коллапсирующие объекты.

Астрофизики пока не смогли "увидеть" чёрные дыры непосредственно, однако есть множество объектов, "подозреваемых" в том, что они являются чёрными дырами. Большинство учёных уверено, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, известны двойные системы, где один из компонентов, скорее всего, чёрная дыра.

Однако некоторые исследователи считают, что могут существовать компактные массивные объекты, которые чуть-чуть не дотягивают до статуса чёрной дыры, их радиус лишь немного превышает радиус Шварцшильда. Не исключено, что некоторые из "подозреваемых" на самом деле как раз такие объекты. Но внешне их не отличить от чёрных дыр.

Российские физики придумали способ увидеть разницу между компактными массивными объектами и коллапсирующими объектами.

"Мы рассмотрели скалярное квантовое после на фоне чёрной дыры и компактного объекта и получили, что на фоне коллапсирующего объекта — чёрной дыры, нет связанных состояний, а на фоне компактного — есть", — объясняет Федор Попов, сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ.

Он и его коллеги рассмотрели поведение скалярных частиц (спин таких частиц равен нулю, примером такой частицы может быть, например, бозон Хиггса в окрестностях чёрных дыр и массивных компактных объектов.

Учёные получили аналитические выражения для энергетического спектра частиц. Оказалось, что вблизи поверхности сверхкомпактной звезды, радиус которой чуть больше радиуса Шварцшильда, есть "потенциальная яма" — область пространства, где частицы попадают в гравитационную "ловушку".

Задача в этом случае становится аналогичной простой задаче по квантовой механике, где нужно найти спектр частиц в потенциальной яме. Этот спектр оказывается дискретным, то есть в нем есть значения энергий, где частиц нет. Иначе говоря, потенциальная яма не выпускает частицы определенных энергий, и в спектре возникает "пустое место".

В случае чёрной дыры вблизи сферы Шварцшильда не возникает стационарных потенциальных, поскольку идет постоянный процесс коллапса, граница "ямы" убегает, и энергетический спектр оказывается сплошным.

"Мы берём, рассеиваем пучок частиц на этом объекте, и смотрим на спектр. И видим, что если в этом спектре нет дискретных уровней, то это чёрная дыра, а если есть — то это компактный объект. Хотя мы сделали свою работу для бесспиновых частиц, можно предположить, что так же будет вести себя и спектр других типов частиц", — говорит Попов.

Он отмечает, что это пока лишь теоретическая работа, у учёных пока нет средств наблюдать спектры частиц в окрестностях возможных черных дыр, однако шаг к этому сделан.

Результаты исследования опубликованы в научном издании Physical Review D.