Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, имеют горизонт событий — границу, за которой ничто, даже свет, не может вернуться во внешний мир. Радиус этой границы называется радиусом Шварцшильда, с физической точки зрения это радиус объекта, для которого убегающая скорость больше скорости света, что означает, что ничто не может преодолеть его гравитацию.
Черные дыры звездной массы являются результатом гравитационного коллапса, который происходит в то время, когда звезда «выгорает» все свое термоядерное топливо и сила давления газа больше не может противостоять гравитации. Если звезда достаточно массивна, она коллапсирует до размера меньше радиуса Шварцшильда и превращается в черную дыру.
Однако время на горизонте событий замедляется настолько, что для стороннего наблюдателя процесс коллапса почти останавливается (например, если корабль падает в черную дыру, для внешнего наблюдателя он будет казаться непрерывно падающим к горизонту), поэтому все черные дыры, которые мы видим, — это вечно разрушающиеся объекты.Астрофизикам еще не удалось «увидеть» черную дыру напрямую, но есть много объектов, которые «подозревают» в том, что они являются черными дырами.
Большинство ученых уверены, что в центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра; есть двойные системы, в которых одним из компонентов, скорее всего, является черная дыра. Однако некоторые астрофизики полагают, что могут существовать компактные массивные объекты, которые очень немного не дотягивают до статуса черной дыры; их диапазон лишь немного превышает радиус Шварцшильда. Может случиться так, что некоторые из «подозреваемых» на самом деле являются такими же объектами. Однако снаружи они неотличимы от черных дыр.
Эмиль Ахмедов, Федор Попов и Даниил Калинов изобрели метод, позволяющий отличить их друг от друга, а точнее — разницу между компактными массивными объектами и коллапсирующими объектами.«Мы исследовали скалярное квантовое поле вокруг черной дыры и компактного объекта и обнаружили, что вокруг коллапсирующего объекта — черной дыры нет связанных состояний, но вокруг компактного объекта есть», — объясняет Федор Попов, сотрудник в Лаборатории физики высоких энергий МФТИ.Он и его коллеги исследовали поведение скалярных частиц (спин этих частиц равен нулю — примером этого может быть бозон Хиггса) в окрестностях черных дыр и массивных компактных объектов. Ученые получили аналитические выражения для энергетического спектра частиц.
Было обнаружено, что около поверхности сверхкомпактной звезды с радиусом немного большим, чем радиус Шварцшильда, существует «потенциальная яма» — область пространства, где частицы попадают в гравитационную «ловушку». Тогда проблема в этом случае аналогична простой задаче в квантовой механике, где необходимо найти спектр частиц в потенциальной яме. Этот спектр дискретный, т.е. имеет значения энергии, при которых частицы отсутствуют. Проще говоря, потенциальная яма не выделяет частицы определенных энергий, и в спектре появляется «пустое пространство».
В случае черной дыры вблизи сферы Шварцшильда нет стационарных потенциалов, так как происходит постоянный процесс коллапса, граница «дыры» удаляется, а энергетический спектр непрерывен.«Мы рассеиваем пучок частиц на объекте и наблюдаем спектр. И мы видим, что если в спектре нет дискретных уровней, это черная дыра, а если есть — то компактный объект.
Исследования сосредоточены на бесспиновых частицах, мы можем предположить, что спектр других типов частиц будет вести себя таким же образом », — говорит Федор Попов.Он отмечает, что пока это только теоретическое исследование; у нас пока нет возможности наблюдать спектры частиц вблизи потенциальных черных дыр, но теперь мы на шаг ближе.