Канадские физики-теоретики вычислили вакуумные значения тензора энергии-импульса вещества, коллапсирующего в черную дыру, и показали, что они не имеют особенностей во всем пространстве кроме начала отсчета. Это значит, что квантовые эффекты не могут существенно повлиять на формирование горизонта событий. Работа опубликована в Physical Review D, препринт статьи выложен на сайте arXiv.org.
Черные дыры служат замечательной моделью для изучения эффектов, находящихся на стыке гравитации и квантовой теории поля. Из-за того, что каждая из этих теорий оказывается неприменима рядом с черной дырой, возникают различные вопросы, на которые у физиков пока еще нет однозначных ответов. Одной из самых больших проблем, связанных с черными дырами, является парадокс потери информации. Заключается он в том, что излучение Хокинга, исходящее от черной дыры, имеет тепловой спектр и не несет информации об упавших в нее объектах, а значит, сведения об исходных состояниях поглощенных частиц бесследно теряются. Подробнее о парадоксе потери информации можно прочитать в нашем интервью с физиком-теоретиком Эмилем Ахмедовым.
В последнее время физики предпринимали несколько попыток разрешить этот парадокс. В частности, некоторые ученые считают, что черные дыры просто не существуют в природе — их горизонт событий разрушается из-за излучения Хокинга и не успевает сформироваться. Подобные рассуждения полагаются на то, что исходящее от черной дыры излучение «накапливается» около горизонта, из-за чего он должен иметь бесконечную собственную энергию, что невозможно.
В данной статье физики-теоретики Бруно Ардерусио-Коста (Bruno Arderucio-Costa) и Уильям Унру (William Unruh) показали, что в действительности при коллапсе звезды накапливание энергии на горизонте событий не происходит. Для этого они вычислили среднее значение тензора энергии-импульса вещества в так называемом вакуумном состоянии Унру на фоне коллапсирующей звезды. Физики считали, что во внешнем пространстве метрика совпадает с обычной метрикой Шварцшильда, а во внутреннем — с решением Фридмана-Роберстсона-Уолкера для трехмерной сферы (случай k = 1).
Для упрощения расчетов теоретики рассмотрели радиальное движение материи, так что четырехмерный случай свелся к двумерному («расстояние» до начала отсчета плюс «время»), и привели метрику к конформно плоскому виду. Это позволило сравнительно просто рассчитать скалярную кривизну пространства. Наконец, ученые вычислили вакуумное значение тензора энергии-импульса для материи, находящейся внутри и снаружи звезды.
Оказалось, что в обеих областях компоненты тензора остаются конечными и отличными от нуля. Единственная точка, в которой значения тензора обращаются в бесконечность — это начало отсчета, в котором находится физическая сингулярность. Остаются конечными и наблюдаемые величины — плотность и поток энергии излучения. Это совпадает с результатами классических вычислений на основании Общей теории относительности. Кроме того, при больших временах расчеты воспроизводят результат, возникающий при изучении коллапса тонкостенной сферически симметричной оболочки. По словам физиков, это означает, что природа начального состояния вещества и квантовые эффекты при коллапсе звезды в конечном счете слабо сказываются на характере излучения, испускаемого черной дырой.
Уильям Унру — известный канадский физик-теоретик, в настоящее время работающий в области квантовой гравитации. Больше всего Унру известен тем, что предсказал в 1976 году эффект, названный впоследствии в его честь. Заключается эффект Унру в том, что равномерно ускоряющийся наблюдатель видит фон теплового излучения даже тогда, когда в инерциальной системе отсчета никакого излучения нет. Этот эффект напоминает, что понятие вакуума зависит от того, как наблюдатель движется сквозь пространство-время. Подробнее про эффект Унру и связанный с ним эффект Соколова-Тернова можно послушать в рассказе Эмиля Ахмедова.
Дмитрий Трунин