Астрофизики из РУДН разработали более простой подход к описанию черных дыр

Результаты новой работы ученых из РУДН опубликованы в журнале Physical Review D. Согласно Общей теории относительности, движение любого массивного тела создает рябь в пространстве-времени — то есть гравитационные волны. Гравитационные волны впервые зарегистрировали в 2015 году, это эхо слияния массивных гравитационных объектов, таких как черные дыры (области пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может их покинуть).

Открытие гравитационных волн заставило ученых пересмотреть старые теории, объясняющие структуру и свойства черных дыр, и разработать новые. В некоторых случаях уравнения Эйнштейна оказались неверными. Для того чтобы осознать объем фундаментальных проблем, включая темную материю, темную энергию и квантовую гравитацию, было разработано несколько обобщенных теорий.

В ожидании, пока зарегистрируют новые гравитационные волны, теоретики анализировали существующие эффекты с точки зрения разных гравитационных теорий. Ученые сталкиваются со множеством проблем в этом вопросе, и сложность вычислений — одна из них, ведь для этого необходима обработка невероятных объемов данных и емких численных интеграций, в то время как свойства разных областей пространства-времени могут характеризоваться несколькими функциями. Черные дыры описаны «элегантными» уравнениями только в теории Эйнштейна — она, в свою очередь, самая простая и обладает симметричными свойствами (то есть решение для одной точки симметрично решению для другой и может быть определено автоматически). Однако описание черных дыр требует сложных уравнений, целых команд ученых и суперкомпьютеров.

Любое уравнение, описывающее объект или феномен, имеет несколько составляющих. Каждая из них отвечает определенному системному параметру и соединяется с основными, относительно стабильными характеристиками, такими как масса или заряд. Эти связи могут быть очень сложными, и специалисты стараются избегать их, разрабатывая предположения или выводя приблизительные значения. Так, ученые из РУДН показали, что решение некоторых «неэйнштейновских» теорий можно найти быстрее. Сравнив ожидаемые и наблюдаемые результаты, они обнаружили, что влияние некоторых составляющих, искажающих «элегантную» симметрию, настолько мало, что ими можно пренебречь. Подтвердить верность описания космического объекта этими упрощенными теориями можно просто — путем введения в уравнение ранней системы характеристик и вычисления его нынешних ожидаемых значений. После получения результата, описывающего его позицию, излучение и другие параметры, его необходимо сравнить с имеющимися данными. Если значения сходятся, упрощенное уравнение считается верным.

Астрофизики из РУДН также нашли способ решить еще одну задачу. Так, возможно, пока что не существует настоящей теории гравитации. В таком случае при описании черных дыр теоретикам приходится использовать уравнения, оперирующие параметрами каждой непосредственной теории. Они также требуют сложных вычислений, но новый подход может значительно упростить их.

«Результаты нашей работы могут быть полезны не только для изучения процессов в черных дырах, но и для проверки теоретических предсказаний и теории Эйнштейна в общем», — заключает Роман Конопля, один из авторов работы и научный сотрудник Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН.

Законы, действующие в черных дырах, отличаются от того, что нам известно о классической и квантовой физике. Более того, до сих пор не известно, верно ли мы их понимаем. Изучение черных дыр поможет исследователям зарегистрировать универсальные модели и предсказать судьбу Вселенной.