Kredit:Husain et al
Svarta hål är områden i rymden som kännetecknas av gravitationsfält så intensiva att ingen materia eller strålning kan fly från dem. De är lösningar på Einsteins fältekvationer, med en punkt av opysisk oändlig täthet i centrum.
Baserat på den klassiska relativitetsteorin hamnar all materia som gick till att bilda ett svart hål i slutändan i dess centrum. Denna specifika förutsägelse är känd som "singularitetsproblemet."
I ett av sina framstående verk visade Stephen Hawking att svarta hål utstrålar energi och att de sakta försvinner. Men hans arbete tyder på att strålningen som sänds ut av svarta hål inte innehåller all information om ämnet som gick in i dess bildande. Inom astrofysik kallas detta för "problemet med informationsförlust."
Forskare vid University of New Brunswick i Kanada har nyligen utvecklat en teoretisk modell som effektivt skulle ta itu med både singularitetsproblemet och informationsförlustproblemet, samtidigt som det belyser hur materia kollapsar och bildar svarta hål. Modellen de utarbetade, introducerades i en artikel publicerad i Physical Review Letters , erbjuder ett alternativt perspektiv på bildandet och utvecklingen av svarta hål än det som föreslagits av klassiska teorier.
"Frågan om ett svart håls öde och vad som händer med saken (eller informationen) som bildade det, har varit ett öppet problem i femtio år," Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz och Edward Wilson-Ewing, forskarna som utförde studien, berättade för Phys.org, via e-post. "Det är en allmän uppfattning att det krävs en teori om kvantgravitation för att lösa detta problem. Vi vet mycket om hur kollapsande materia bildar svarta hål i generell relativitetsteori, men frågan om hur kollaps sker i kvantgravitationen är också ett öppet problem."
Huvudsyftet med det senaste arbetet av Husain och hans kollegor var att introducera en modell som exakt tar itu med singularitetsproblemet och gravitationskollapsen på samma gång. För att göra detta använde de en konstruktion av slingkvantgravitation för att införliva rymdens grundläggande diskrethet i klassiska ekvationer som beskriver gravitationskollaps.
"Vi studerade problemet med enkla dammämnen som inte utövar något tryck eftersom detta är den enklaste typen av materia; dess rörelse beskrivs av en hanterbar ekvation som kan lösas på en bärbar dator," förklarade Husain. "Denna ekvation är en modifierad version av de klassiska Einsteinsekvationerna, som innehåller grundläggande diskrethet i rymden på mikroskopisk nivå."
Den numeriska metod som forskarna använde i sin studie utvecklades av Sergei K. Godunov, en känd rysk forskare som bedrev teoretisk forskning med fokus på vätskeflödesproblem. Denna metod kan särskilt hantera bildandet av stötvågor, det fysiska fenomen som uppstår när ett föremål rör sig med överljudshastigheter och trycker på den omgivande luften (t.ex. när en jetstråle bryter igenom ljudbarriären).
"Vi följde utvecklingen av ett moln av kollapsande dammpartiklar tills det bildade ett svart hål," sa Husain, Kelly, Santacruz och Wilson-Ewing. "Den numeriska metoden gjorde det möjligt för oss att följa materiens utveckling även inuti det svarta hålsområdet mot den punkt där singulariteten skulle vara i den klassiska lösningen."
Den kvantgravitationskorrigerade ekvationen introducerad av Husain och hans kollegor löser singularitetsproblemet mer dynamiskt än klassiska modeller. Mer specifikt antyder det att materia faller in i mitten av det svarta hålet, når en stor men ändlig densitet och sedan studsar tillbaka och bildar en stötvåg.
"Kvantumgravitationseffekter är viktiga vid stötvågen och låter den röra sig utåt inuti det svarta hålet, vilket inte är möjligt när man använder klassiska ekvationer", sa forskarna. "Samtidigt blir rumtidens krökning stor, men avviker aldrig (som det gör i klassisk teori)."
Med hjälp av det numeriska verktyget som introducerades av Godunov kunde forskarna också beräkna livslängden för ett svart hål, från dess bildande till dess försvinnande, när en stötvåg dyker upp från dess horisont och horisonterna börjar försvinna. Intressant nog är det svarta hålets livslängd som de beräknade mycket kortare än förångningstiden som förutspåtts av Hawking. Detta tyder på att deras modell skulle kunna hjälpa till att lösa problemet med informationsförlust, men fler studier kommer att behöva utföras för att bekräfta detta.
Dessutom introducerar ekvationen som skisserats av Husain och hans kollegor produktionen av stötvågor i utvecklingen av svarta hål. I framtiden kan det alltså få astronomer att utvärdera möjligheten att upptäcka de stötvågor som kommer från svarta hål.
"Om detta visar sig vara möjligt, kan våra resultat ge en enkel förklaring, men även detta kräver ytterligare noggrann utforskning," tillade forskarna. "I våra nästa studier skulle vi vilja försöka fastställa om informationsförlustproblemet verkligen är löst, att studera andra typer av materia som utövar tryck och andra typer av materiamoln, för att se om vårt chockvågsresultat förblir kvalitativt oförändrat. Om detta visar sig vara fallet, kan chockvågor vara en universell signatur som markerar döden av ett svart hål." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
