Nowe obserwacje mają na celu zbadanie wewnętrznej dynamiki czarnych dziur i ich wpływu na przyszłe obserwacje astrofizyczne.
Źródło: NASA, ESA i D. Coe, J. Anderson oraz R. van der Marel (STScI)
Czarne dziury wciąż urzekają naukowców: są to obiekty czysto grawitacyjne, niezwykle proste, a jednak zdolne do skrywania tajemnic, które stanowią wyzwanie dla naszego zrozumienia praw natury. Większość dotychczasowych obserwacji koncentrowała się na ich cechach zewnętrznych i otaczającym środowisku, pozostawiając ich wewnętrzną naturę w dużej mierze niezbadaną.
Nowe badania, przeprowadzone w ramach współpracy między Uniwersytetem Południowej Danii, Uniwersytetem Karola w Pradze, Scuola Internazionale di Studi Avanzati (SISSA) w Trieście i Victoria University of Wellington w Nowej Zelandii, opublikowane w Physical Review Letters, badają wspólny aspekt najbardziej wewnętrznego obszaru różnych modeli czasoprzestrzeni opisujących czarne dziury, sugerując, że nasze zrozumienie tych dynamicznych obiektów może wymagać dalszych badań.
Rozwiązanie Kerra równań ogólnej teorii względności jest najdokładniejszą reprezentacją wirujących czarnych dziur obserwowanych w astrofizyce grawitacyjnej. Przedstawia ono czarną dziurę jako wir w czasoprzestrzeni, charakteryzujący się dwoma horyzontami: zewnętrznym, poza którym nic nie może uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym, oraz wewnętrznym, który otacza osobliwość pierścieniową, region, w którym czasoprzestrzeń, jaką znamy, przestaje istnieć. Model ten dobrze zgadza się z obserwacjami, ponieważ odchylenia od teorii Einsteina poza czarną dziurą są regulowane przez nowe parametry fizyczne, które regulują rozmiar jądra i oczekuje się, że będą dość małe.
Według autora korespondencyjnego, docenta Raúla Carballo-Rubio z ośrodka badawczego CP3-Origins na Uniwersytecie Południowej Danii, kluczowym wnioskiem tego badania jest to, że wewnętrzna dynamika czarnych dziur, która pozostaje w dużej mierze niezbadana, może radykalnie zmienić nasze rozumienie tych obiektów, nawet z perspektywy zewnętrznej.
Jednak ostatnie badania przeprowadzone przez międzynarodowy zespół zwróciły uwagę na krytyczną kwestię dotyczącą wnętrza tych obiektów: podczas gdy wiadomo było, że statyczny wewnętrzny horyzont charakteryzuje się nieskończoną akumulacją energii, badania pokazują, że nawet bardziej realistyczne dynamiczne czarne dziury podlegają znacznej niestabilności w stosunkowo krótkich skalach czasowych. Niestabilność ta wynika z akumulacji energii, która rośnie wykładniczo w czasie, aż osiągnie skończoną, ale niezwykle dużą wartość, która może znacząco wpłynąć na ogólną geometrię czarnej dziury, a tym samym ją zmienić.
Ostateczny wynik tego dynamicznego procesu jest nadal niejasny, ale badanie sugeruje, że czarna dziura nie może ustabilizować się w geometrii Kerra, przynajmniej w długich skalach czasowych, chociaż prędkość i wielkość odchyleń od czasoprzestrzeni Kerra pozostają przedmiotem badań.
Jak wyjaśnia Stefano Liberati, profesor SISSA i jeden z autorów pracy, wynik ten sugeruje, że rozwiązanie Kerra – wbrew wcześniejszym założeniom – nie może dokładnie opisywać obserwowanych czarnych dziur, przynajmniej w typowych skalach czasowych ich istnienia.
Zrozumienie roli tej niestabilności jest zatem niezbędne do udoskonalenia teoretycznych modeli wnętrza czarnych dziur i ich związku z ogólną strukturą tych obiektów. W tym sensie może to stanowić brakujące ogniwo między modelami teoretycznymi a potencjalnymi obserwacjami fizyki wykraczającymi poza ogólną teorię względności. Ostatecznie wyniki te otwierają nowe perspektywy badania czarnych dziur, oferując możliwość pogłębienia naszego zrozumienia ich wewnętrznej natury i dynamicznego zachowania.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
SISSA
