Что находится за горизонтом событий чёрной дыры, до сих пор остаётся загадкой. Это граница, после пересечения которой наружу уже не может вырваться даже свет, поэтому увидеть внутреннее устройство чёрной дыры невозможно.
В учебниках сингулярность обычно изображают как точку нулевого размера с бесконечной плотностью. Однако теоретические физики Эндрю Гамильтон из Колорадского университета в Боулдере и Тайлер Макмейкен из Университета Мэри утверждают, что такое упрощение может быть неверным.
По их мнению, сингулярность правильнее представлять не как точку, а как плоскую трёхмерную поверхность.
Внутри чёрной дыры само пространство устремляется к сингулярности быстрее света. В первой половине XX века физики считали, что это падение заканчивается в одной точке.
Позднее выяснилось, что у вращающейся чёрной дыры всё сложнее. Вращение замедляет падение вещества за счёт центробежного отталкивания, поэтому сингулярность принимает форму кольца.
Для невращающейся чёрной дыры продолжали использовать точечную модель. Она была простой, наглядной и удобной для объяснения, поэтому десятилетиями сохранялась в учебниках.
Гамильтон начал сомневаться в ней ещё в 1998 году. По просьбе студентов он создал изображения, показывающие, что мог бы увидеть наблюдатель во время падения в чёрную дыру. В результате вместо точки перед ним появилась поверхность.
Тогда физик не смог объяснить увиденное. На понимание потребовались десятилетия.
Ключом стал мысленный опыт с двумя наблюдателями, падающими в одну чёрную дыру с противоположных сторон. Если сингулярность действительно является точкой, оба в конце концов должны оказаться в одном и том же месте.
Но расчёты на основе общей теории относительности показывают, что этого произойти не может.
Искривлённое пространство-время внутри чёрной дыры не позволяет свету или любому другому сигналу пройти между наблюдателями. Они навсегда теряют причинную связь друг с другом: ни один из них не может повлиять на другого или узнать, что с ним происходит.
Авторы работы считают, что наблюдатели, лишившиеся возможности обмениваться информацией, не могут завершить падение в одном и том же событии пространства-времени.
Противоречие исчезает, если сингулярность представляет собой трёхмерную пространственную границу. Каждый наблюдатель достигает её в отдельном месте.
Гамильтон описывает эту границу как поверхность, на которой общая теория относительности «совершает самоубийство», поскольку её уравнения там перестают давать физически осмысленное описание происходящего.
Новая модель может относиться не только к невращающимся чёрным дырам. Авторы предполагают, что сингулярность реальной вращающейся чёрной дыры также должна превращаться в пространственную поверхность возле внутреннего горизонта.
Таким образом, сингулярности вращающихся и невращающихся чёрных дыр могут быть гораздо больше похожи друг на друга, чем следует из привычных учебных изображений кольца и точки.
Это важно для попыток создать теорию квантовой гравитации. Она должна объединить общую теорию относительности, описывающую гравитацию и крупномасштабное устройство Вселенной, с квантовой механикой, управляющей поведением атомов и более мелких частиц.
Обе теории чрезвычайно хорошо работают по отдельности, но становятся математически несовместимыми в экстремальных условиях внутри чёрной дыры.
Если сингулярность является поверхностью, а не точкой, меняется математическая область, в которой общая теория относительности перестаёт работать. Следовательно, может измениться и отправная точка для будущей теории квантовой гравитации.
Авторы надеются, что изучение границ, на которых известные законы физики приближаются к своему пределу, поможет сделать исследования квантовой гравитации менее отвлечёнными и теснее связать их с реальными объектами Вселенной.
Исследование принято к публикации в журнале Physical Review D.
