Teoretisk model tilbyder et nyt perspektiv på sorte huls dannelse og udvikling

Sorte huller er områder i rummet præget af gravitationsfelter så intense, at intet stof eller stråling kan undslippe fra dem. De er løsninger på Einsteins feltligninger med et punkt med ufysisk uendelig tæthed i centrum.

Baseret på den klassiske relativitetsteori ender alt det stof, der gik med til at danne et sort hul, i sidste ende i dets centrum. Denne specifikke forudsigelse er kendt som "singularitetsproblemet."

I et af sine skelsættende værker viste Stephen Hawking, at sorte huller udstråler energi, og at de langsomt forsvinder. Men hans arbejde tyder på, at den stråling, der udsendes af sorte huller, ikke indeholder alle oplysninger om stoffet, der gik ind i dets dannelse. I astrofysik omtales dette som "problemet med tab af information."

Forskere ved University of New Brunswick i Canada har for nylig udviklet en teoretisk model, der effektivt ville adressere både singularitetsproblemet og informationstabsproblemet, og samtidig kaste mere lys over, hvordan stof kollapser og danner sorte huller. Den model, de udtænkte, blev introduceret i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , tilbyder et alternativt perspektiv på dannelsen og udviklingen af ​​sorte huller end det, der foreslås af klassiske teorier.

"Spørgsmålet om skæbnen for et sort hul, og hvad der sker med den sag (eller information), der dannede det, har været et åbent problem i halvtreds år," Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz og Edward Wilson-Ewing, forskerne som udførte undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Det er en udbredt opfattelse, at der kræves en teori om kvantetyngdekraften for at løse dette problem. Vi ved meget om, hvordan kollapsende stof danner sorte huller i den generelle relativitetsteori, men spørgsmålet om, hvordan kollaps opstår i kvantetyngdekraften, er også et åbent problem."

Hovedformålet med det nylige arbejde af Husain og hans kolleger var at introducere en model, der præcist adresserer singularitetsproblemet og gravitationssammenbrud på samme tid. For at gøre dette brugte de en konstruktion af loop-kvantetyngdekraft til at inkorporere rummets grundlæggende diskrethed i klassiske ligninger, der beskriver gravitationssammenbrud.

"Vi studerede problemet ved at bruge simpelt støvstof, der ikke udøver noget tryk, fordi dette er den enkleste type stof; dets bevægelse er beskrevet af en håndterbar ligning, der kan løses på en bærbar computer," forklarede Husain. "Denne ligning er en modificeret version af de klassiske Einstein-ligninger, som inkorporerer grundlæggende diskrethed i rummet på mikroskopisk niveau."

Den numeriske metode, som forskerne brugte i deres undersøgelse, er udviklet af Sergei K. Godunov, en berømt russisk videnskabsmand, som udførte teoretisk forskning med fokus på væskestrømningsproblemer. Denne metode kan især håndtere chokbølgedannelse, det fysiske fænomen, der opstår, når et objekt bevæger sig med supersoniske hastigheder og skubber på den omgivende luft (f.eks. når en stråle bryder gennem lydmuren).

"Vi fulgte udviklingen af ​​en sky af kollapsende støvpartikler, indtil den dannede et sort hul," sagde Husain, Kelly, Santacruz og Wilson-Ewing. "Den numeriske metode gjorde det muligt for os at følge udviklingen af ​​stoffet selv inde i det sorte huls område mod det punkt, hvor singulariteten ville være i den klassiske løsning."

Den kvantetyngdekraftskorrigerede ligning introduceret af Husain og hans kolleger løser singularitetsproblemet mere dynamisk end klassiske modeller. Mere specifikt antyder det, at stof falder ind i midten af ​​det sorte hul, når en stor, men endelig tæthed og derefter hopper tilbage og danner en chokbølge.

"Kvantetyngdekraftseffekter er vigtige ved chokbølgen og tillader den at bevæge sig udad inde i det sorte hul, hvilket ikke er muligt, når man bruger klassiske ligninger," sagde forskerne. "Samtidig bliver rumtidens krumning stor, men divergerer aldrig (som det gør i klassisk teori)."

Ved hjælp af det numeriske værktøj introduceret af Godunov var forskerne også i stand til at beregne levetiden for et sort hul, fra dets dannelse til dets forsvinden, når en chokbølge dukker op fra dets horisont, og horisonterne begynder at forsvinde. Interessant nok er levetiden for det sorte hul, de beregnede, langt kortere end fordampningstiden forudsagt af Hawking. Dette tyder på, at deres model kunne hjælpe med at løse problemet med tab af information, men der skal udføres flere undersøgelser for at bekræfte dette.

Derudover introducerer ligningen skitseret af Husain og hans kolleger produktionen af ​​chokbølger i udviklingen af ​​sorte huller. I fremtiden kan det således få astronomer til at vurdere muligheden for at detektere chokbølgerne, der kommer fra sorte huller.

"Hvis dette viser sig at være muligt, kan vores resultater give en klar forklaring, men også dette kræver yderligere omhyggelig udforskning," tilføjede forskerne. "I vores næste undersøgelser vil vi gerne forsøge at fastslå, om informationstabsproblemet faktisk er løst, at studere andre typer stof, der udøver pres, og andre typer stofskyer, for at se, om vores chokbølgeresultat forbliver kvalitativt uændret. Hvis dette viser sig at være tilfældet, så kan chokbølger være en universel signatur, der markerer døden af ​​et sort hul." + Udforsk yderligere

Forskere kan have løst Stephen Hawkings sorte hul-paradoks

© 2022 Science X Network