Новое исследование положило конец надеждам на существование чёрных дыр из света

Квантовые эффекты препятствуют формированию гипотетических чёрных дыр, сформированных исключительно из света

Новое исследование, проведённое учёными из Университета Ватерлоо и Института теоретической физики Периметр в Канаде, а также Института физики элементарных частиц и космоса (IPARCOS) в Университете Комплутенсе в Мадриде, предполагает, что экстремальные объекты, известные как «kugelblitze» — чёрные дыры, сформированные исключительно из света, невозможны в нашей Вселенной.

Это открытие бросает вызов Общей теории относительности Эйнштейна и накладывает существенные ограничения на космологические модели, демонстрируя при этом, как квантовая механика и Общая теория относительности могут быть согласованы для решения сложных научных вопросов.

Чёрные дыры являются массивными объектами с очень сильным гравитационным притяжением, которое не позволяет даже свету вырваться из их «хватки». Обычно они образуются в результате коллапса массивных звёзд в конце их жизненного цикла, когда давление термоядерных реакций в их ядрах больше не может противостоять силе гравитации. Однако существуют и более экзотические гипотезы относительно образования чёрных дыр.

Одна из таких теорий предполагает создание «kugelblitze», которые формируются не из обычной материи, а путём концентрации большого количества электромагнитного излучения, такого как свет. Эти гипотетические чёрные дыры могли бы существовать в виде сгустков света, сконцентрированного в достаточно малом объеме. Этот термин по-немецки означает «шаровая молния», а слово «kugelblitze» имеет множественное число.

«Кугельблиц — это гипотетическая чёрная дыра, которая вместо того, чтобы образоваться в результате коллапса «обычной материи» (основными составляющими которой являются протоны, нейтроны и электроны), формируется путём концентрации огромного количества электромагнитного излучения, такого как свет», — рассказал соавтор исследования Хосе Поло-Гомес.

Свет не имеет массы, но он переносит энергию. В Общей теории относительности Эйнштейна энергия отвечает за создание искривлений в пространстве-времени, которые приводят к гравитационному притяжению. Поэтому, по мнению учёных, свет может образовывать чёрные дыры, если его сконцентрировать в достаточном объёме.

Эти принципы справедливы в рамках классической Общей теории относительности, которая не учитывает квантовые явления. Чтобы изучить потенциальное влияние квантовых эффектов на формирование «kugelblitze», Поло-Гомес и его коллеги изучили влияние эффекта Швингера.

«Когда есть невероятно интенсивная электромагнитная энергия — например, из-за концентрации света — часть этой энергии преобразуется в материю в форме электронно-позитронных пар. Это квантовый эффект, называемый эффектом Швингера. Он также известен как поляризация вакуума», — пояснил ведущий автор исследования Альваро Альварес-Домингес.

В своём исследовании, которое было принято к публикации в журнале Physical Review Letters, команда рассчитала скорость, с которой пары электронов и позитронов, созданные в электромагнитном поле, будут истощать энергию. Если эта скорость превышает скорость пополнения энергии электромагнитного поля в данной области, «kugelblitze» не может образоваться. Команда обнаружила, что даже в самых экстремальных условиях чистый свет никогда не сможет достичь необходимого энергетического порога для образования чёрной дыры.

«В своей работе мы доказали, что кугельблитце невозможно сформировать, концентрируя свет, как искусственно в лаборатории, так и в естественных астрофизических сценариях. Например, даже если бы мы использовали самые интенсивные лазеры на Земле, то всё равно были бы более чем на 50 порядков дальше от интенсивности, необходимой для создания кугельблитце», — сказал соавтор исследования Луис Гарай.

Это открытие имеет глубокие теоретические последствия, существенно ограничивая ранее рассмотренные астрофизические и космологические модели, которые предполагают существование кугельблитце. Оно также разбивает надежды на экспериментальное изучение чёрных дыр в лабораторных условиях путём их создания посредством электромагнитного излучения.

Тем не менее, положительный результат исследования показывает, что квантовые эффекты можно эффективно интегрировать при участии гравитационных эффектов, тем самым предоставляя чёткие ответы на актуальные научные вопросы.

«С теоретической точки зрения эта работа демонстрирует, как квантовые эффекты могут играть важную роль в понимании механизмов формирования и внешнего вида астрофизических объектов», — добавил Поло-Гомес.

Вдохновлённые своим открытием, исследователи планируют продолжить изучение влияния квантовых эффектов на различные гравитационные явления, имеющие как практическое, так и фундаментальное значение.

«Некоторые из нас очень заинтересованы в продолжении изучения гравитационных свойств квантовой материи, особенно в сценариях, где эта квантовая материя нарушает традиционные энергетические условия. Этот тип квантовой материи может, в теории, порождать экзотические объекты пространства-времени, приводя к таким эффектам, как "отталкивающая гравитация", или помогать создавать экзотические решения, такие как варп-двигатель или допустить существование червоточин», — заключил ещё один соавтор работы, Эдуардо Мартин-Мартинес. 

Кроме того, учёные надеются, что их исследования могут привести к лучшему пониманию фундаментальных законов природы и способов манипулирования гравитацией. «Мы надеемся, что наш подход к проблеме кугельблитце приведёт к новым открытиям в области квантовой гравитации и космологии. Это может помочь лучше понять природу чёрных дыр, гравитационных волн и других экстремальных объектов во Вселенной», — заявил Поло-Гомес.