Чёрные дыры – это области бесконечной плотности, известные как сингулярность. И согласно общепринятой физике, каждый из этих пожирателей космической материи окаймлён горизонтом событий – границей, пройдя через которую, вы уже никогда не вернётесь обратно.

Но что, если некоторые чёрные дыры – голые, полностью лишённые таких границ? Насколько мы можем судить, сингулярности всегда окутаны горизонтами событий, но более подробный взгляд на математику общей теории относительности показывает, что это не так.

Если такие голые чёрные дыры действительно существуют во Вселенной, то согласно недавнему исследованию, мы могли бы их обнаружить взглянув на окружающее их световое кольцо.

А король-то голый!
Чёрные дыры являются следствием математики общей теории относительности Эйнштейна. Уравнения говорят нам о том, что если сгусток материи схлопывается до слишком маленького объема, гравитация этой материи будет сжимать её все большее, пока она не превратится в бесконечно маленькую точку. Эта точка называется сингулярностью, и это сигнал о том, что математика, которую мы используем для описания пространства-времени, полностью рушится.

Гравитационное притяжение сингулярности бесконечно велико. Объекты могут тянуться к сингулярности быстрее скорости света. Вблизи сингулярности физика общей теории относительности больше не может предсказывать будущую траекторию частиц, что является одним из основных положений физики. Без возможности делать прогнозы физика разваливается.

К счастью, насколько нам известно, все чёрные дыры имеют горизонт событий. Горизонт событий – это расстояние от сингулярности, где гравитационное притяжение достаточно сильно, чтобы втянуть что-либо, – точка, в которой вам придётся двигаться быстрее скорости света, чтобы убежать. Вот что делает чёрную дыру чёрной – от них не ускользнёт даже свет.

С тех пор как исследователи впервые подтвердили существование чёрных дыр, они задавались вопросом, возможно ли сформировать сингулярность без связанного с ней горизонта событий – так называемую “голую” сингулярность. Это действительно было бы очень опасное место, потому что это было бы то место, где нарушаются законы физики, которые выполняются в остальной Вселенной. По крайней мере, в случае традиционной чёрной дыры сингулярность надёжно скрыта за горизонтом событий, поэтому, хотя это место с экстремальной и неизвестной физикой, всё что бы там ни происходило, происходит, не влияя на остальной космос.

Скручивание точки
Если голые сингулярности существуют, они определённо необычны. Нам известен только один подтверждённый способ формирования сингулярностей – это когда у гигантской звезды заканчивается топливо и она проваливается сама в себя. Когда это происходит, у сингулярности естественным образом появляется горизонт событий.
Наличие голой сингулярности настолько беспокоит физиков, что они предположили, что, возможно, природа вообще не позволяет им существовать – но пока у нас нет никаких доказательств этой идеи.

Первые прямые визуальные доказательства существования сверхмассивной чёрной дыры в центре эллиптической галактики Мессье 87 и её тени. Граница чёрной дыры – горизонт событий – примерно в 2,5 раза меньше, чем тень, которую она отбрасывает. Авторы и права: EHT Collaboration.
Возможно, голые сингулярности могут сформироваться, но только в самых экстремальных условиях. Если чёрная дыра вращается, она может образовать второй горизонт событий, расположенный внутри первого. Чем быстрее вращается чёрная дыра, тем ближе эти горизонты событий друг к другу. Если она вращается достаточно быстро, математика предсказывает, что горизонты событий могут “свернуться” (реальная физика, конечно, намного сложнее, но идею вы поняли) и обнажить сингулярность.

До сих пор мы не идентифицировали ни одной чёрной дыры, вращающейся с достаточной скоростью, для того чтобы обнажить свою сингулярность. В целом, у нас нет способа определить, является ли случайный астрофизический объект обычной чёрной дырой или голой сингулярностью. Изображение, чёрной дыры, полученное с помощью Телескопа горизонта событий (EHT), конечно, является исключением, но у нас не так много изображений такого рода.

Различия
Физики-теоретики рассмотрели эту задачу, изучив, может ли голая сингулярность проявлять себя другими способами, особенно если она окружена кольцом материала. Как сообщается в статье, опубликованной 12 ноября на сайте arXivOrg, кольцо, называемое аккреционным диском, является общей особенностью чёрных дыр (и потенциально голых сингулярностей). Когда газ и пыль падают на плотный, компактный объект, этот материал расплющивается в диск, а затем стекает вниз. Этот диск может быть невероятно ярким, что свидетельствует о существовании чёрной дыры (на самом деле, именно так мы и узнаём о существовании подавляющего большинства чёрных дыр во Вселенной).

Большинство теоретических исследований голых сингулярностей предполагало, что объект существует изолированно, что неверно в реальной Вселенной. В новой работе теоретики приняли во внимание все аспекты и пришли к удивительному результату.

Аккреционный диск не отделён полностью от чёрной дыры (или голой сингулярности). Сам диск имеет собственное гравитационное притяжение, и он может скручивать и искажать компактный объект в центре. Это искажение, в свою очередь, влияет на гравитационную среду вокруг объекта, слегка изменяя путь материала, закручиваемого внутрь.

Теоретики обнаружили, что голая сингулярность действительно ведёт себя немного иначе, чем обычная чёрная дыра – аккреционный диск вокруг голой сингулярности может быть намного, намного ярче, чем вокруг чёрной дыры. Пока наши телескопы не обладают необходимой чувствительностью, но будущие инструменты должны нам в этом помочь.

Обнаружение голой сингулярности во Вселенной было бы большим открытием в физике. Мы могли бы указать место на небе, где мы знаем, что наши физические законы не работают. Более подробные исследования окружающей среды вокруг подтверждённой голой сингулярности раскрыли бы некоторые из самых глубоких загадок Вселенной.