Физики впервые математически описали необычное состояние пространства-времени, возникающее на пороге формирования черной дыры. Оказалось, что в этот момент искривление пространства-времени может выстраиваться в повторяющиеся структуры, напоминающие так называемые временные кристаллы. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).
При образовании черной дыры гравитация становится настолько экстремальной, что стандартные уравнения общей теории относительности Эйнштейна практически невозможно решить аналитически. Поэтому десятилетиями ученые изучали этот процесс в основном с помощью компьютерных симуляций.
Особенно сложной считается область так называемого критического коллапса — состояния на самой границе между двумя исходами: вещество либо рассеивается обратно в пространство, либо окончательно схлопывается в черную дыру.
Еще в 1993 году физик Мэттью Чоптуик обнаружил, что на этом пороге пространство-время начинает демонстрировать «дискретное самоподобие» — повторяющиеся структуры, возникающие на все меньших масштабах. Однако до сих пор никто не мог описать этот эффект строгими математическими формулами. Теперь исследователи из Венского технического университета и Университета Гете во Франкфурте нашли способ это сделать.
«Этот кристалл пространства-времени — крайне необычный и захватывающий объект», — заявил физик Даниэль Грумиллер.
По словам ученых, такие структуры ведут себя как нестабильное промежуточное состояние. Если добавить совсем небольшое количество энергии, они могут внезапно перейти в состояние микроскопической черной дыры.
Ключом к решению стала необычная математическая идея: ученые представили Вселенную не четырехмерной, а многомерной — с десятками или даже сотнями пространственных измерений.
«Ничто не мешает записывать физические уравнения для пяти, сорока двух или даже бесконечного числа измерений», — объяснил физик Кристиан Эккер.
Как ни странно, в многомерной модели уравнения Эйнштейна становятся проще: гравитация концентрируется локально около области коллапса, а не распределяется по всему пространству. Используя этот подход, исследователи смогли вывести аналитические формулы, описывающие фрактальные повторяющиеся структуры искривления пространства-времени при образовании черных дыр.
При этом аналогичные математические закономерности сохранялись и при возвращении к меньшему числу измерений, что может говорить о фундаментальной природе этого явления.
Авторы считают, что новый метод поможет изучать процессы, связанные с черными дырами, которые раньше можно было исследовать только численно на суперкомпьютерах.
Ранее физики нашли возможный след темной материи в столкновении черных дыр.
