Квантовые эффекты смягчают проблемные области около черных дыр

В теоретической работе команды исследователей из Бразилии, Италии и Чили показывается, что учет квантово-механических эффектов при описании сингулярностей может сглаживать пространство-время, устраняя некоторые проблемные свойства, характерные для чистой общей теории относительности. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Общая теория относительности Эйнштейна остается основой для описания космоса. Теория, однако, предсказывает, что черные дыры и другие сингулярности обладают особенностями, которые могут быть физически неприемлемыми. Многие черные дыры должны появляться как конечные этапы эволюции массивных звезд, поэтому большинство должно обладать отличной от нуля угловой скоростью, потому что исходные звезды также вращаются. Черные дыры с ненулевым вращением называются керровскими по имени Роя Керра — ученого, впервые описавшего их математически. Такие объекты окружены дополнительной особой поверхностью, называемой переделом статичности. В области между этим пределом и горизонтом событий тела не могут находиться в покое относительно удаленного наблюдателя. В случае невращающейся черной дыры, предел статичности совпадает с горизонтом событий.

Авторы подробно рассматривают два важных случая, один из них — вращающаяся черная дыра. Согласно общей теории относительности, такая система имеет две характерные поверхности, окружающие сингулярность: внешний горизонт и внутренний горизонт Коши, за которым мы не можем предсказать, что произойдет. Вторая трудность связана с «голыми сигнулярностями» — областями бесконечной плотности массы, которые, в отличие от черных дыр, не окружены горизонтом событий. И горизонт Коши, и голые сигнулярности нежелательны, так как они приводят к потере предсказуемости: наблюдатель между внешним и внутренним горизонтом черной дыры или наблюдатель около голой сингулярности не смогут предсказать будущее пространства-времени, основываясь на начальных условиях.

Авторы получают аналитическое решение уравнений Эйнштейна с включением квантового поля в двух пространственных измерениях, хотя ожидают аналогичные результаты в трехмерии. Они доказывают, что при учете квантовых поправок у вращающейся черной дыры как горизонт Коши, так и предел статичности будут большего размера, угловая скорость оказывается меньшей, а голые сингулярности будут окружены горизонтами событий. Другими словами, принцип «космической цензуры» выполняется, и во Вселенной не может быть голых сингулярностей, а только скрытые внутри черных дыр.