Уильям Ист из Института теоретической физики Периметр (Канада) и Франц Преториус из Принстонского университета (США) предложили возможный механизм, благодаря которому черная дыра может терять свою массу. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, доступно в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, об этой работе сообщает издание Physics Viewpoint.
Предполагая существование гипотетических частиц-бозонов легче 10-10 электронвольт, физики утверждают, что если черная дыра, то есть объект, покинуть который неспособна (в пренебрежении квантовыми эффектами) никакая материя, вращается, то она может потерять до девяти процентов своей массы. По их мнению, это вполне реально проверить в современных гравитационных обсерваториях.
Авторы исследования основываются на двух основополагающих идеях о черных дырах, возникших еще в 1970-х годах и получивших широкое распространение после работ американца Джона Уилера и британца Роджера Пенроуза. «У черной дыры нет "волос"», — предположил Уилер в 1971 году. Это означает, что черная дыра после своего возникновения переходит в стационарное состояние, описываемое (в данном случае) только тремя параметрами — массой, угловым моментом и зарядом.
Других параметров (тех самых «волос»), способных описывать черную дыру, не существует. То есть две черные дыры с одинаковой массой, угловым моментом и зарядом принципиально неотличимы друг от друга, вне зависимости от своего происхождения. Эта гипотеза получила косвенное наблюдательное подтверждение после того, как обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) зарегистрировала в 2015 году гравитационные волны.
Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны мощностью излучения примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Это произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли).
Вторая идея связана со сверхизлучением. В 1971 году Пенроуз предложил механизм, по которому черная дыра может терять часть энергии и замедлять вращение благодаря рассеянию частиц. В частности, электромагнитное излучение, распространяющееся в окрестностях черной дыры, может ею усиливаться. Это явление получило название сверхизлучения черной дыры, о нем высказывался еще в СССР физик Яков Зельдович.
Что произойдет, если на черной дыре будут рассеиваться не фотоны, движущиеся со скоростью света безмассовые кванты электромагнитного поля, а легкие бозоны? В этом случае амплитуда (и энергия) соответствующего бозонного поля вырастет настолько, что станут существенными нелинейные эффекты, главным образом дополнительный вклад в кривизну пространства-времени в окрестностях гравитационного объекта.
В разумных временных масштабах, порядка нескольких лет, это возможно только для чрезвычайно легкого бозона. Величина должна быть настолько малой, что отвечающая частице комптоновская длина волны, обратно пропорциональная ее массе, должна быть сравнима с радиусом горизонта событий черной дыры — гравитационным радиусом тела, определяющим размеры объекта со сферически-симметричным распределением материи, который не способны покинуть фотоны.
Например, для гравитационного объекта солнечной массы такой гипотетический бозон должен быть в 1017 раз легче электрона. Экспериментально подобные бозоны не обнаружены, однако есть множество теорий, допускающих их существование. Легкими бозонами могут быть, например, частицы темной материи, в частности гипотетические аксионы.
Ист и Преториус смоделировали сверхизлучение вращающейся черной дыры, обусловленное рассеянием легких бозонов. В нелинейном режиме гравитационный объект, как показали авторы, достигнет квазиустойчивого состояния с бозонным полем, к которому перейдет до девяти процентов энергии-массы черной дыры. Это означает, что гравитационный объект обретет дополнительные степени свободы («волосы»), а сама черная дыра, чьи пределы определяются горизонтом событий, окажется вложенной в оболочку из бозонной материи, вращающейся вместе с черной дырой с той же угловой скоростью.
Как обнаружить такую черную дыру с «волосами»? Расчеты показали, что она должна излучать гравитационные волны с частотой своего вращения. Такой сигнал, как полагают физики, можно выделить в качестве фонового. Обнаружить его способны действующая наземная обсерватории LIGO и планируемая к запуску в 2034 году космическая миссия LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Чувствительность детекторов позволяет зарегистрировать бозоны массой 10-11-10-14 электронвольт (в случае LIGO) и 10-15-10-19 электронвольт (для LISA).