Ученые из Венского технического университета и Университета Гёте во Франкфурте открыли новое состояние пространства-времени, которое возникает на этапе коллапса материи перед образованием черной дыры. Этот феномен характеризуется появлением повторяющихся структур, схожих с временными кристаллами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
В процессе критического коллапса, когда гравитационные силы достигают невероятно высоких значений, стандартные уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна теряют свою применимость. Поэтому ученые на протяжении десятилетий использовали компьютерные симуляции для изучения этого явления.
Критический коллапс – это состояние на грани двух возможных сценариев: рассеивания материи в пространстве или ее полного схлопывания в черную дыру. В 1993 году физик Мэттью Чоптуик обнаружил, что в этот период пространство-время проявляет дискретное самоподобие, выраженное в формировании повторяющихся структур на всё меньших масштабах. Однако до недавнего времени это явление не имело математического описания.
Группа исследователей из Венского технического университета и Университета Гёте разработала математическую модель, описывающую это состояние. Они назвали его "временным кристаллом пространства". Эти структуры представляют собой нестабильное интермедиарное состояние, которое может превратиться в микроскопическую черную дыру при добавлении небольшого количества энергии.
Для решения этой задачи ученые использовали многомерную модель Вселенной, включающую десятки или сотни пространственных измерений. В этой модели уравнения Эйнштейна значительно упрощаются: гравитационные силы концентрируются локально в зоне коллапса, а не распределяются равномерно по всему пространству. Благодаря этому удалось вывести аналитические формулы, описывающие фрактальные повторяющиеся структуры искривления пространства-времени, возникающие при образовании черных дыр.
Авторы исследования подчеркивают, что полученные математические закономерности остаются верными при переходе к меньшему числу измерений, что указывает на фундаментальность этого явления. Они выражают надежду, что их метод откроет новые возможности для аналитического изучения процессов формирования и существования черных дыр, которые ранее исследовались исключительно численно на суперкомпьютерах.