Чёрные дыры — одни из самых загадочных объектов Вселенной, но два новых исследования приближают нас к их разгадке. Международная команда астрономов с помощью обсерватории IXPE NASA выяснила, как чёрные дыры в блазарах генерируют рентгеновское излучение, а физики под руководством Стефано Либерати предложили модели чёрных дыр без сингулярности. Работы, опубликованные в Astrophysical Journal Letters (AJL) и Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), решают давние споры и открывают путь к квантовой теории гравитации. Рассказываем, что узнали учёные и как это изменит наше понимание космоса.

Рентгеновское излучение: электроны, а не протоны

Блазары — это активные галактические ядра, чьи джеты (струи вещества, выбрасываемые со скоростью, близкой к световой) направлены к Земле. Один из них, BL Lacertae в созвездии Ящерицы (1400 млн световых лет от нас), стал объектом исследования с помощью рентгеновской обсерватории IXPE. В ноябре 2023 года учёные зафиксировали рекордную оптическую поляризацию джета — 47.5%, но рентгеновская поляризация составила менее 7.6%.

Это помогло разрешить спор о природе рентгеновского излучения чёрных дыр. Две гипотезы соперничали десятилетиями:

  • Протонная модель: рентгеновские лучи генерируются протонами, ускоренными в магнитном поле джета.
  • Электронная модель: излучение возникает из-за комптоновского рассеяния, когда сверхбыстрые электроны (почти на скорости света) сталкиваются с фотонами, передавая им энергию.

Данные IXPE подтвердили вторую гипотезу. Низкая рентгеновская поляризация указывает на хаотичное движение электронов, характерное для комптоновского рассеяния, а не на упорядоченное протонное излучение. «Мы наконец-то поняли, как блазары создают рентгеновские лучи, — говорит ведущий автор исследования Иван Агудо. — Это была одна из главных загадок астрофизики».

Учёные планируют изучить другие блазары, такие как Mrk 421, чтобы проверить, универсален ли этот механизм. Это может объяснить, как чёрные дыры питают самые яркие объекты Вселенной.

Чёрные дыры без сингулярности: новая физика

Вторая работа, опубликованная в JCAP, бросает вызов классической картине чёрных дыр. Согласно общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, в центре чёрной дыры находится сингулярность — точка бесконечной плотности, где законы физики перестают работать. Но команда Стефано Либерати из Международного института фундаментальной физики предложила модели, исключающие эту аномалию:

  • Стандартная чёрная дыра: горизонт событий и сингулярность, как предсказывает ОТО.
  • Регулярная чёрная дыра: горизонт событий есть, но сингулярность заменена областью с конечной плотностью благодаря квантовым эффектам.
  • Имитатор чёрной дыры: объект, внешне похожий на чёрную дыру, но без горизонта событий и сингулярности, например, гипотетический «гравитонный конденсат».

Эти модели основаны на идее, что квантовая гравитация устраняет сингулярность, заменяя её стабильной структурой. Хотя прямых доказательств пока нет, различия между моделями можно выявить косвенно:

  • Гравитационные волны: слияния регулярных чёрных дыр или имитаторов создают уникальные сигналы, отличные от стандартных, как показывают данные LIGO (с 2015 года).
  • Световой профиль: тень чёрной дыры, запечатлённая Event Horizon Telescope (EHT) в 2019 и 2022 годах для M87* и Стрельца A*, может показать отклонения от ОТО.
  • Аккреционные диски: поведение вещества, падающего на имитатор, отличается от классического, что можно увидеть в рентгеновских спектрах (как в случае BL Lacertae).

«Мы стоим на пороге новой физики, — говорит Либерати. — Если сингулярности нет, это мост к квантовой теории гравитации, объединяющей Эйнштейна и квантовую механику».

Почему это важно?

Оба открытия решают фундаментальные вопросы:

  • Излучение блазаров: понимание комптоновского рассеяния в джетах объясняет, как чёрные дыры с массой в миллиарды солнц производят энергию, превосходящую целые галактики. Это ключ к изучению активных ядер, таких как квазары.
  • Сингулярность: устранение сингулярности делает теорию гравитации полной, устраняя «слепое пятно» ОТО. Это может объяснить, что происходит внутри чёрных дыр и в момент Большого взрыва.
  • Космическая эволюция: оба исследования связаны с формированием массивных звёзд (A&A), чьи взрывы порождают чёрные дыры, и с изучением экзопланет (TOI-421 b), где гравитация играет ключевую роль.

Что дальше?

Учёные планируют:

  • Наблюдать другие блазары с помощью IXPE и телескопа «Джеймс Уэбб», чтобы подтвердить роль электронов в джетах.
  • Использовать EHT и будущий Next Generation EHT (запуск в 2030-х) для съёмки теней чёрных дыр с разрешением, достаточным для различия моделей.
  • Моделировать слияния имитаторов чёрных дыр на суперкомпьютерах, чтобы предсказать сигналы для LIGO-Virgo-KAGRA.

Эти шаги могут привести к созданию квантовой теории гравитации, объединяющей все силы природы, как мечтают физики со времён Эйнштейна.