Ученые из МФТИ, ИТЭФ и НИУ ВШЭ придумали способ отличить черные дыры от компактных массивных объектов, которые внешне неотличимы друг от друга — для этого нужно изучить энергетический спектр частиц, которые пролетают по соседству, в одном случае он будет непрерывным, а в другом — дискретным, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review D.

Черные дыры, существование которых предсказано теорией Эйнштейна, имеют горизонт событий — границу, из-за которой ничто, даже свет, не может вернуться во внешний мир. Радиус этой границы называют радиусом Шварцшильда, в физическом смысле это радиус объекта, для которого вторая космическая скорость становится больше скорости света, а значит, ничто не может преодолеть его тяготение.

Черные дыры звездной массы возникают в результате гравитационного коллапса, происходящего в тот момент, когда звезда «выжигает» все термоядерное горючее и сила газового давления уже не может противостоять гравитации. Если звезда достаточно массивна, она схлопывается до размера меньше радиуса Шварцшильда, превращаясь в черную дыру. Однако время у горизонта событий замедляется настолько, что для внешнего наблюдателя процесс коллапса почти останавливается (точно так же корабль, падающий в черную дыру, с точки зрения удаленного наблюдателя будет вечно падать к горизонту), поэтому все черные дыры, которые мы наблюдаем — это вечно коллапсирующие объекты.

Астрофизики пока не смогли «увидеть» черные дыры непосредственно, однако есть множество объектов, «подозреваемых» в том, что они являются черными дырами. Большинство ученых уверено, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная черная дыра, известны двойные системы, где один из компонентов, скорее всего, черная дыра. Однако некоторые астрофизики считают, что могут существовать компактные массивные объекты, которые чуть-чуть не дотягивают до статуса черной дыры, их радиус лишь немного превышает радиус Шварцшильда. Не исключено, что некоторые из «подозреваемых» на самом деле как раз такие объекты. Но внешне они не отличимы от черных дыр.

Эмиль Ахмедов, Федор Попов и Даниил Калинов придумали способ увидеть разницу между ними, точнее между компактными массивными объектами и коллапсирующими объектами.

«Мы рассмотрели скалярное квантовое поле на фоне черной дыры и компактного объекта и получили, что на фоне коллапсирующего объекта — черной дыры, нет связанных состояний, а на фоне компактного — есть», — объясняет Федор Попов, сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ.

Он и его коллеги рассмотрели поведение скалярных частиц (спин таких частиц равен нулю, примером такой частицы может быть, например, бозон Хиггса) в окрестностях черных дыр и массивных компактных объектов.

Ученые получили аналитические выражения для энергетического спектра частиц. Оказалось, что вблизи поверхности сверхкомпактной звезды, радиус которой чуть больше радиуса Шварцшильда, есть «потенциальная яма» — область пространства, где частицы попадают в гравитационную «ловушку». Задача в этом случае становится аналогичной простой задаче по квантовой механике, где нужно найти спектр частиц в потенциальной яме. Этот спектр оказывается дискретным, то есть в нем есть значения энергий, где частиц нет. Проще говоря, потенциальная яма не выпускает частицы определенных энергий, и в спектре возникает «пустое место».

В случае черной дыры вблизи сферы Шварцшильда не возникает стационарных потенциальных ям, поскольку идет постоянный процесс коллапса, граница «ямы» убегает, и энергетический спектр оказывается сплошным.

«Мы берем, рассеиваем пучок частиц на этом объекте, и смотрим на спектр. И видим, что если в этом спектре нет дискретных уровней, то это черная дыра, а если есть — то это компактный объект. Хотя мы сделали свою работу для бесспиновых частиц, можно предположить, что так же будет вести себя и спектр других типов частиц»,

— говорит Федор Попов.

Он отмечает, что это пока лишь теоретическая работа, у нас пока нет средств наблюдать спектры частиц в окрестностях возможных черных дыр, однако шаг к этому сделан.