Астрофизики из РУДН нашли более простой подход к описанию черных дыр

В общей теории относительности движение любого массивного тела порождает «пространственно-временные ряби» — гравитационные волны. Впервые они зафиксированы в 2015 году и представляют собой отголосок слияния двух черных дыр — областей пространства-времени с таким большим притяжением, что ни один объект, даже движущийся со скоростью света, не может их покинуть.

Обнаружение гравитационных волн привело к пересмотру старых теорий, объясняющих строение и характеристики черных дыр, и созданию новых. Оказалось, что уравнения Эйнштейна не всегда дают верное решение. Возникли обобщенные теории, призванные решить фундаментальные вопросы, главные из которых – проблемы темной материи и темной энергии, а также построение квантовой теории гравитации.

В ожидании новых наблюдений гравитационных волн теоретики анализируют существующие эффекты с позиции различных теорий гравитации. Ученые сталкиваются с рядом проблем, и одной из главных стала сложность решений: требуется обработка большого массива данных, емкое численное интегрирование, и, кроме того, не всегда свойства разных частей пространства-времени характеризуются одной функцией. Черные дыры описываются «элегантными» уравнениями только в теории Эйнштейна — самой простой и обладающей рядом свойств симметрии (то есть зная их решение в одной точке, можно автоматически определить решение и в некоей другой, симметричной ей). В альтернативных теориях такого нет: для описания черных дыр необходимо решение сложных уравнений, труд больших коллективов и применение суперкомпьютеров.

Любое уравнение, описывающее объект или явление, включает в себя нескольких членов, каждый из которых соответствует определенному параметру системы и связан с основными, относительно постоянными характеристиками (например, массой или зарядом). Эта связь может оказаться очень сложной, и часто специалисты стараются обойти ее с помощью допущений и приближений. Так, ученые РУДН в своей работе показали, что для некоторых неэйнштейновских теорий можно значительно упростить решение. Сравнивая предсказанные и реально наблюдаемые результаты, они обнаружили, что вклад некоторых членов, нарушающих элегантную симметрию, очень мал, а потому ими можно пренебречь. Проверить, верно ли такие упрощенные теории описывают космический объект, несложно: нужно подставить в уравнение характеристики системы на более раннем этапе ее развития и посчитать, какой она станет в наши дни. Получив результат для ее положения, излучения или другого измеряемого параметра, мы сравним его с реальными данными. В случае их совпадения можно считать, что упрощенное уравнение верно.

Астрофизики РУДН наметили путь решения еще одной проблемы. Что, если истинная теория гравитации нам пока не известна? В таком случае при описании черных дыр необходимо применять уравнения, учитывающие параметры, которые используются в каждой конкретной теории. Их решения также связаны со сложными и трудоемкими вычислениями, а описанный подход обещает их значительное упрощение.

«Результаты нашей работы окажутся полезными не только при исследовании процессов излучения черных дыр, но и при проверке теоретических предсказаний и теории Эйнштейна вообще», — заключает Роман Конопля, один из авторов статьи, научный сотрудник Учебно-научного центра гравитации и космологии РУДН.

Законы существования черных дыр отличаются от знакомых нам из классической и квантовой физики; более того, до сих пор до конца не ясно, насколько верно мы их понимаем. Изучение черных дыр позволит вывести закономерности развития Вселенной и предсказать ее судьбу.

Результаты работы опубликованы в Physical Review D.