Дослідження виявило, що чорні діри зі світла неможливі

Нове теоретичне дослідження виявило, що неможливо утворити чорну діру за допомогою енергії лише світлових частинок, що ставить під сумнів загальну теорію відносності Ейнштейна.

Нове дослідження припускає, що екстремальні об’єкти, відомі як кугельблітц – чорні діри, утворені виключно зі світла – неможливі у нашому Всесвіті, що кидає виклик теорії загальної відносності Ейнштейна. Відкриття накладає значні обмеження на космологічні моделі і демонструє, як квантова механіка і загальна теорія відносності можуть бути узгоджені для розв’язання складних наукових питань.

Чорні діри – масивні об’єкти з настільки сильним гравітаційним тяжінням, що навіть світло не може вирватися з їхніх обіймів – є одними з найбільш інтригуючих і химерних об’єктів у Всесвіті. Зазвичай вони утворюються внаслідок колапсу масивних зірок наприкінці їхніх життєвих циклів, коли тиск термоядерних реакцій в їхніх ядрах більше не може протидіяти силі гравітації.

Однак існують і  екзотичніші гіпотези щодо утворення чорних дір. Одна з таких теорій передбачає створення кугельбліцу, що в перекладі з німецької означає “кульова блискавка”. “Кугельбліц — це гіпотетична чорна діра, яка замість того, щоб утворитися в результаті колапсу “звичайної матерії” (основними складовими якої є протони, нейтрони і електрони), утворюється в результаті концентрації величезної кількості електромагнітного випромінювання, такого як світло”, – повідомив співавтор дослідження Хосе Поло-Гомес, фізик з Університету Ватерлоо та канадського Інституту теоретичної фізики “Периметр” в електронному листі до Live Science. “Хоча світло не має маси, воно несе в собі енергію”, – сказав Поло-Гомес, додавши, що в теорії загальної відносності Ейнштейна енергія відповідає за створення викривлень у просторі-часі, які призводять до гравітаційного притягання. “Через це світло в принципі може утворювати чорні діри – якщо ми сконцентруємо достатню кількість світла в досить малому об’ємі”, – сказав він.

Ці принципи справедливі для класичної загальної теорії відносності, яка не враховує квантові явища. Щоб дослідити потенційний вплив квантових ефектів на формування кугельбліцу, Поло-Гомес та його колеги вивчили вплив ефекту Швінгера.

“Коли існує неймовірно інтенсивна електромагнітна енергія – наприклад, через величезну концентрацію світла – частина цієї енергії перетворюється на матерію у вигляді електрон-позитронних пар, – повідомив провідний автор дослідження Альваро Альварес-Домінґес з Інституту фізики елементарних частинок і космосу (IPARCOS) при Мадридському університеті Комплутенсе в електронному листі для Live Science. “Це квантовий ефект, який називається ефектом Швінгера. Він також відомий як поляризація вакууму”.

У своєму дослідженні, яке було прийняте до публікації в журналі Physical Review Letters, але ще не опубліковане, команда розрахувала швидкість, з якою електрон-позитронні пари, що утворюються в електромагнітному полі, будуть вичерпувати енергію. Якщо ця швидкість перевищує швидкість поповнення енергії електромагнітного поля в даній області, кугельбліц не може утворитися.

Команда виявила, що навіть за найекстремальніших обставин чисте світло ніколи не зможе досягти необхідного енергетичного порогу для утворення чорної діри.

“Ми доводимо, що кугельбліц неможливо сформувати шляхом концентрації світла, як штучно в лабораторії, так і в природних астрофізичних сценаріях, – розповів співавтор дослідження Луїс Гарай, також з IPARCOS, в інтерв’ю журналу Live Science. “Наприклад, навіть якби ми використовували найпотужніші лазери на Землі, ми все одно були б більш ніж на 50 порядків віддалені від інтенсивності, необхідної для створення кугельбліцу”.

Цей висновок має глибокі теоретичні наслідки, значно обмежуючи раніше розглянуті астрофізичні та космологічні моделі, які припускають існування кугельбліцу. Воно також розбиває будь-які надії на експериментальне вивчення чорних дір у лабораторних умовах, створюючи їх за допомогою електромагнітного випромінювання.

Проте, позитивний результат дослідження показує, що квантові ефекти можуть бути ефективно інтегровані в проблеми, пов’язані з гравітацією, таким чином даючи чіткі відповіді на актуальні наукові питання. “З теоретичного погляду, ця робота демонструє, як квантові ефекти можуть відігравати важливу роль у розумінні механізмів формування і появи астрофізичних об’єктів”, – сказав Поло-Гомес.

Натхненні отриманими результатами, дослідники планують продовжити вивчення впливу квантових ефектів на різні гравітаційні явища, які мають як практичне, так і фундаментальне значення.

Читайте також:

• Лише одні вихідні в космосі можуть змінити організм астронавтів
• Астронавти застрягли в космосі через проблеми зі Starliner