Команда физиков-теоретиков обнаружила странную структуру в пространстве-времени, которая для стороннего наблюдателя выглядела бы в точности как черная дыра, но при ближайшем рассмотрении оказалась бы совсем не такой: это были бы дефекты в самой структуре Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает существование черных дыр, образующихся при коллапсе гигантских звезд. Но та же теория предсказывает, что их центрами являются сингулярности, которые представляют собой точки бесконечной плотности. Поскольку мы знаем, что во Вселенной на самом деле не может быть бесконечных плотностей, мы воспринимаем это как признак того, что теория Эйнштейна неполна. Но после почти столетнего поиска расширений мы все еще не подтвердили лучшую теорию гравитации.

Но у нас есть кандидаты, включая теорию струн. В теории струн все частицы Вселенной на самом деле являются микроскопическими вибрирующими петлями струны. Чтобы поддерживать большое разнообразие частиц и взаимодействий, которые мы наблюдаем во Вселенной, эти струны не могут просто вибрировать в наших трех пространственных измерениях. Вместо этого должны существовать дополнительные пространственные измерения, которые сворачиваются сами по себе в многообразия, настолько маленькие, что они ускользают от повседневного внимания и экспериментов.

Эта экзотическая структура в пространстве-времени дала команде исследователей инструменты, необходимые им для идентификации нового класса объектов, того, что они называют топологическим солитоном. В ходе своего анализа они обнаружили, что эти топологические солитоны являются стабильными дефектами в самом пространстве-времени. Для их существования не требуется ни материи, ни других сил — они так же естественны для ткани пространства-времени, как трещины во льду. Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.

Исследователи изучали эти солитоны, изучая поведение света, который проходил бы вблизи них. Поскольку они являются объектами экстремального пространства-времени, они искривляют пространство и время вокруг себя, что влияет на путь света. Для далекого наблюдателя эти солитоны выглядели бы точно так, как мы предсказываем появление черных дыр. У них были бы тени, кольца света, работы. Изображения, полученные с помощью телескопа Event Horizon, и обнаруженные сигнатуры гравитационных волн будут вести себя одинаково.

Только подойдя поближе, вы поймете, что смотрите не на черную дыру. Одной из ключевых особенностей черной дыры является ее горизонт событий, воображаемая поверхность, которую, если бы вы пересекли, вы бы не смогли покинуть. Топологические солитоны, поскольку они не являются сингулярностями, не имеют горизонтов событий. Таким образом, в принципе, вы могли бы подойти к солитону и подержать его в руке, предполагая, что вы пережили столкновение. Эти топологические солитоны являются невероятно гипотетическими объектами, основанными на нашем понимании теории струн, которая, как еще не доказано, является жизнеспособным дополнением к нашему пониманию физики. Однако эти экзотические объекты служат важными тестовыми исследованиями. Если исследователи смогут обнаружить важное наблюдательное различие между топологическими солитонами и традиционными черными дырами, это может проложить путь к поиску способа проверки самой теории струн.

фото: Artist view of a binary black hole system. Credit: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State. Credit: Aurore Simonnet / Вид художника на систему двойных черных дыр. Фото: LIGO / Caltech / MIT / штат Сонома. Автор: Аврора Симонне

Автор: Paul M. Sutter,

Источник: https://phys.org/news/2023-05-black-holes-defects-spacetime.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=weekly-nwletter

More information: Pierre Heidmann et al, Imaging topological solitons: The microstructure behind the shadow, Physical Review D (2023). DOI: 10.1103/PhysRevD.107.084042

Journal information: Physical Review D