Черные дыры не то, чем они кажутся: новые данные разрешают их парадокс

В статье, опубликованной в журнале Physics Letters B, подчеркивается важность рассмотрения черных дыр как динамических систем, где изменения в их геометрии во время испускания излучения имеют решающее значение для точного описания их термодинамического поведения.

Исследование также предполагает, что чрезвычайно компактные объекты разделяют эти термодинамические свойства с черными дырами независимо от статуса горизонта событий. Исследование являет собой продолжение усилий ученых по разрешению информационного парадокса черных дыр, а также предлагает более тонкое понимание термодинамики черных дыр в контексте квантовой гравитации. В рамках исследования использовались элементы квантовой физики, статистической механики и общей теории относительности.

Информационный парадокс черных дыр – это загадка, над которой физика бьется уже почти полвека. Он возникает, когда соединяются предсказания квантовой механики и общей теории относительности. Классическая общая теория относительности подразумевает, что черная дыра — это объект с горизонтом, т. е. предельной поверхностью, за пределами которой никакое событие не может повлиять на внешнего наблюдателя, и сингулярностью в ее ядре, т. е. точкой, в которой наличие бесконечности подразумевает, что законы физики не действуют.

С другой стороны, недавние подходы, как классические, так и квантовые, показали, что то, что мы называем черной дырой, может быть объектом без горизонтов и сингулярностей. Объекты этого типа также получили название Extremely Compact Objects (ECO), чтобы отличать их от «традиционной» концепции черных дыр.

С одной стороны, этот подход решает некоторые важные проблемы, такие как устранение сингулярности и последующее восстановление физических законов. С другой стороны, он создает иную проблему: что делать со всей термодинамикой черных дыр, разработанной за последние 50 и более лет, начиная с работ Бекенштейна и Хокинга, и основанной на огромном количестве исследований?

В 2023 году Самир Матур и Мадхур Мехта дали ответ на этот вопрос, предоставив доказательство универсальности термодинамики черных дыр. В частности, они продемонстрировали, что любой ECO должен иметь одинаковые термодинамические свойства независимо от того, обладает ли он горизонтом событий.

Но этот результат был получен в приближении, согласно которому спектр излучения черной дыры имеет точный тепловой характер. Фактически, аргументы, основанные на сохранении энергии и обратной реакции ЧД, подразумевают, что спектр излучения Хокинга не может быть в точности тепловым.

В новой работе исследователи распространили результат Матура и Мехты на случай, когда спектр излучения не является в точности тепловым, используя концепцию динамического состояния черной дыры.

Динамическое состояние черной дыры получается путем введения эффективной температуры. Это аналогично нескольким другим областям науки, где отклонение от теплового спектра излучающего тела обычно рассматривается путем введения эффективной температуры, которая представляет собой температуру черного тела, испускающего то же самое точное количество излучения, что и нетепловой источник.

В случае с черной дырой введение эффективной температуры позволяет ввести другие эффективные величины, характеризующие его «динамическое состояние», т. е. состояние черной дыры «во время» квантового перехода, в котором энергия испускается или поглощается. Таким образом, новое исследование подчеркивает, что черные дыры следует рассматривать как динамические системы, — и тогда можно глубже изучать их квантовые термодинамические свойства. Так как эти свойства распространяются на ECO, то потенциально у физиков довольно много шансов разрешить, наконец, информационный парадокс черных дыр.