Общая теория относительности — это чрезвычайно сложная математическая теория, но ее описание черных дыр удивительно просто. Стабильную черную дыру можно описать всего тремя свойствами: массой, электрическим зарядом и вращением (или спином). Поскольку черные дыры вряд ли будут иметь большой заряд, на самом деле требуется всего два свойства. Если вы знаете массу и вращение черной дыры, вы знаете все, что нужно знать о черной дыре.
Это свойство часто резюмируется теоремой "об отсутствии волос". В частности, теорема утверждает, что после того, как вещество попадает в черную дыру, единственной характеристикой, которая остается, является масса. Вы могли бы сделать черную дыру из водорода, взятого на Солнце, стульев или тех старых копий непонятного журнала найденных на балконе съемной квартиры, и не было бы никакой разницы. С точки зрения общей теории относительности масса есть масса. В любом случае горизонт событий черной дыры совершенно гладкий, без каких-либо дополнительных особенностей. Как сказал Якоб Бекенштейн: у черных дыр нет волос.
Но при всей своей предсказательной способности общая теория относительности имеет проблемы с квантовой теорией. Это особенно заметно в отношении черных дыр. Если теорема об отсутствии волос верна, информация, содержащаяся в объекте, уничтожается, когда он пересекает горизонт событий. Квантовая теория утверждает, что информацию невозможно уничтожить. Итак, действующая теория гравитации противоречит действующей теории квантов. Это приводит к таким проблемам, как парадокс межсетевого экрана, когда невозможно решить, должен ли горизонт событий быть горячим или холодным.
Для разрешения этого противоречия было предложено несколько теорий, часто включающих расширения теории относительности. Но разницу между стандартной теорией относительности и этими модифицированными теориями можно увидеть только в экстремальных ситуациях, что затрудняет их изучение с помощью наблюдений. Но статья в Physical Review Letters показывает, как их можно изучать через вращение черной дыры.
Многие модифицированные теории относительности имеют дополнительный параметр, которого нет в стандартной теории. Известное как безмассовое скалярное поле, оно позволяет модели Эйнштейна связываться с квантовой теорией таким образом, чтобы исключить противоречие. В этой новой работе команда изучила, как такое скалярное поле связано с вращением черной дыры. Они обнаружили, что при малых вращениях модифицированная черная дыра неотличима от стандартной модели, но при больших скоростях скалярное поле позволяет черной дыре получить дополнительные особенности. Другими словами, в этих альтернативных моделях быстро вращающиеся черные дыры могут иметь волосы.
Волосатые аспекты вращающихся черных дыр будут видны только вблизи самого горизонта событий, но они также повлияют на слияние черных дыр. Как указывают авторы, будущие обсерватории гравитационных волн должны иметь возможность использовать быстро вращающиеся черные дыры, чтобы определить, действительна ли альтернатива общей теории относительности.
Общая теория относительности Эйнштейна до сих пор справлялась со всеми наблюдательными проблемами, но, вероятно, она потерпит неудачу в самых экстремальных условиях Вселенной. Подобные исследования показывают, как мы можем вывести новую теорию.
