Хотя теория относительности Эйнштейна предсказывает, что некоторые черные дыры могут образовываться только из света, физики предполагают, что квантовое явление, называемое «эффектом Швингера», не позволяет этому произойти. Количество света, необходимое для формирования этих объектов, известных как кугельблицы, приводит к образованию пар электронов и позитронов, которые в конечном итоге рассеивают энергию своего источника, не позволяя свету коллапсировать на себя и образовывать черную дыру.
Кугельблицы — это гипотетические черные дыры, образованные из световой энергии, а не из материи. Согласно общей теории относительности, если достаточное количество электромагнитного излучения занимает область, то выделяющаяся энергия может исказить пространство-время и образовать черную дыру. С этой точки зрения, в искривлении пространства-времени участвует только энергия, а не масса.
Теоретическое изучение черных дыр, образующихся под действием света, ведется уже несколько десятилетий. Их исследовали, например, в рамках теории космической цензуры, испарения «белых дыр», темной материи и даже в качестве движущей силы для межзвездных путешествий. Космическая цензура — это гипотеза, утверждающая, что не существует физического процесса, который привел бы к появлению «голой сингулярности», то есть области пространства, где гравитационное поле принимает бесконечные значения. Белые дыры — гипотетические объекты, которые образуются в конце жизни черной дыры, когда она «испаряется».
Однако ни в одном из предыдущих исследований не учитывались эффекты квантовой механики. По мнению исследователей из Университета Комплутенсе в Мадриде, Университета Ватерлоо и Института теоретической физики Периметра (Канада), эти эффекты могут сыграть решающую роль в определении того, могут ли кугельблицы образовываться на самом деле. Они изучили этот вопрос в новом исследовании, предварительно опубликованном на платформе arXiv.
Эффект, применимый в основном к маленьким черным дырам
По мнению авторов нового исследования, образование кугельблиц просто невозможно в нынешних условиях Вселенной, ни естественным путем, ни в лаборатории (даже с помощью самых мощных лазеров, которые только можно себе представить). Действительно, гипотетическое образование кугельблица потребовало бы настолько мощного электромагнитного излучения, что спровоцировало бы эффект Швингера. Это происходит, когда электромагнитное поле сгущается в небольшой области пространства и спонтанно вызывает образование пар электронов и позитронов (частиц антиматерии, соответствующих электрону).
Однако образование этих пар частиц и античастиц монополизирует энергию источника света, удаляясь от него. Это не позволяет свету сгуститься настолько, чтобы образовать черную дыру. Точнее, при образовании электрон-позитронных пар в интенсивном электромагнитном поле постепенно доминирует эффект Швингера. «Это явление препятствует образованию кугельблица, поскольку созданные частицы могут рассеиваться за пределами области, где коллапсирует излучение, унося с собой свою энергию«, — объясняют исследователи в своей работе. По их словам, этот эффект может помешать формированию кугельблица задолго до того, как структура начнет процесс гравитационного коллапса, присущий образованию черных дыр.
Исследователи предполагают, что это правило применимо в основном к небольшим черным дырам с радиусом от 100 000 километров до 10-29 метров (в несколько миллиардов раз меньше протона). Учитывая масштабы, они считают, что сценарий эффекта Швингера достаточно реалистичен.
Единственным возможным исключением может быть ранняя Вселенная, когда поведение пространства-времени в целом радикально отличалось от сегодняшнего. Эксперты считают, что это отличие могло позволить образоваться кугельблицам. Кроме того, нельзя исключать и возможность образования черных дыр из материи, рост которой индуцируется светом.
Однако этот свет будет полностью исчезать при пересечении горизонта событий. Это также означает, что если бы кугельблицы действительно образовались в начале Вселенной, то отличить их от обычных черных дыр было бы невозможно. Несмотря на необходимость экспериментального и наблюдательного подтверждения, подобный анализ важен для выявления реалистичных альтернатив экзотическим явлениям, предсказываемым теорией относительности.
