شارژ افق درونی سیاهچاله ها دیجیاتو

سیاهچاله ها اجرام کیهانی جذابی هستند که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. نیروهای گرانشی آن به قدری زیاد است که حتی نور نیز نمی تواند از آن فرار کند. در حالی که بسیاری از مطالعات وجود سیاهچاله های تازه کشف شده را پیش بینی کرده اند، بسیاری از سوالات در مورد این اجرام کیهانی بی پاسخ مانده است.

محققان دانشگاه لایپزیگ اخیراً مطالعه‌ای را در مورد قطبش خلاء با استفاده از یک میدان بار کوانتومی در نزدیکی افق داخلی یک سیاه‌چاله باردار بررسی کردند. نتایج این مطالعه در مجله منتشر شد نامه های بررسی فیزیکی منتشر شده نشان می دهد که یک جریان باردار کوانتومی در افق داخلی یک سیاهچاله می تواند مثبت یا منفی باشد.

کریستین کلاین یکی از نویسندگان این مطالعه می گوید: نظریه نسبیت عام فضا و زمان را به عنوان انحنای فضا-زمان به معنای یکپارچه فضا-زمان و گرانش تعریف می کند. یکی از معروف‌ترین پیش‌بینی‌های این نظریه، سیاه‌چاله‌ها هستند (حوزه‌های فضا-زمان که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند). اگر یک سیاهچاله بار الکتریکی داشته باشد یا در حال چرخش باشد، یک ویژگی جالب در داخل خواهد داشت: در داخل سیاهچاله سطحی وجود دارد که خواص آن شبیه به افق رویداد سیاهچاله (لبه بیرونی) است. در نتیجه آن را افق درونی می نامند».

اساساً تا افق درونی یک سیاهچاله، فضا-زمان و هر چیزی که در آن وجود دارد را می توان بر اساس اطلاعات به دست آمده از جهان در مقطعی در گذشته (آنچه فیزیکدانان «داده های اولیه» می نامند) پیش بینی کرد. این توانایی پیش‌بینی فضا-زمان که به جبرگرایی معروف است، یکی از ویژگی‌های مهم نظریه‌های فیزیکی است.

اما طبق پیش‌بینی‌های نظری، ناظری که از افق درونی سیاه‌چال عبور می‌کند، می‌تواند از تکینگی مرکزی سیاه‌چال (که مکان و زمان بی‌نهایت در هم پیچیده هستند) فراتر رفته و وارد دنیایی متفاوت شود. علاوه بر این، پس از افق درونی، جبرگرایی به لحاظ نظری فرو می‌ریزد و در نتیجه سفر ناظر دیگر با داده‌های اصلی قابل تعیین نیست.

راجر پنروز، ریاضیدان بریتانیایی، در کتاب تابش گرانشی و فروپاشی گرانشی خود، پیش‌بینی می‌کند که این به دلیل بقایای یک سیاه‌چاله یا سایر انحرافات جزئی از داده‌های اولیه فضای سیاه نخواهد بود.

کلاین می گوید: «طبق گفته پنروز، این انحرافات در نزدیکی افق درونی جمع می شوند و فضا-زمان را چنان نزدیک به افق می پیچند که هر ناظری که به آن نزدیک شود نابود می شود و افق درونی به یک تکینگی تبدیل می شود. این ایده یک فرضیه سانسور قوی کهکشانی نامیده می شود. تاکنون انواع مختلفی از سیاهچاله ها با افق داخلی و اغتشاشات مختلف داده های اصلی برای آزمایش این فرضیه و تعیین قدرت تکینگی در افق داخلی مورد مطالعه قرار گرفته است.

تحقیقات اخیر نشان داده است که در سیاهچاله های باردار در حال انبساط در یک جهان، تکینگی می تواند به اندازه کافی ضعیف باشد که از آن عبور کند. این یافته ها برخی از محققان را وادار کرده است تا ببینند اگر ماهیت کوانتومی میدان های گرانشی و ماده در نظر گرفته شود چه اتفاقی می افتد.

کلاین می گوید: «اغلب این اعوجاج های کوانتومی کوچک و ناچیز هستند. اما در نزدیکی افق درونی، مشخص شد که اثرات کوانتومی بیشتر از اثرات کلاسیک است و به اندازه‌ای بزرگ هستند که افق درونی را به یک تکینگی قوی تبدیل کنند. این نشان می‌دهد که باید از اثرات کوانتومی در نزدیکی افق داخلی سیاه‌چاله‌ها اجتناب کرد و ما تصمیم گرفتیم نگاهی دقیق‌تر به اثرات کوانتومی در این منطقه داشته باشیم.

از آنجایی که یک سیاهچاله با بار الکتریکی فقط می تواند از مواد باردار ساخته شود، کلاین و همکارانش تصمیم گرفتند به طور خاص مواد دارای بار کوانتومی را مطالعه کنند. یکی از نشانه های مستقیم قابل مشاهده چنین موادی جریان الکتریکی است که تولید می کند. در نتیجه، محققان در تلاشند تا تعیین کنند که این جریان در نزدیکی افق داخلی سیاهچاله چگونه رفتار می کند.

کلاین می‌گوید: «مطالعات قبلی استدلال کرده‌اند که این جریان‌ها عمدتاً به دلیل تولید تصادفی ذرات با بارهای مخالف در داخل سیاه‌چاله است که به نوبه خود در جهت‌های مخالف شتاب می‌گیرند». این اثر باعث می شود سیاهچاله پشت افق داخلی تخلیه شود. یکی از اهداف ما بررسی صحت این تصویر ذرات بود.

در مقاله‌ای اخیر، محققان فضازمان را به‌عنوان نمایانگر یک جهان در حال انبساط با یک سیاه‌چاله باردار در نظر گرفتند. آنها سپس نظریه میدان کوانتومی میدان حصاری را در این فضازمان فرضی گنجاندند.

کلاین می گوید: ما به طور موقت این واقعیت را نادیده گرفتیم که میدان کوانتومی فضا-زمان در حال تغییر است.

با استفاده از چارچوبی که پیشنهاد کردند، تیم تحقیقاتی توانستند جریان الکتریکی یک میدان کوانتومی را در نمونه بررسی کنند. آنها چارچوب عددی خود را بر اساس نتایج کار قبلی خود توسعه دادند.

کلاین می‌گوید: «ما دریافتیم که مشارکت غالب در جریان در افق داخلی مستقل از وضعیت (شرایط اولیه) میدان کوانتومی است تا زمانی که از نظر فیزیکی معقول باشد. ما یک مورد مناسب را انتخاب کردیم و فرمولی برای جریان با استفاده از نظریه انحنای فضا نسبت به نظریه میدان کوانتومی استخراج کردیم. این فرمول باید به صورت عددی برای مجموعه‌ای از پارامترهای فضا-زمان (یک ثابت کیهانی که جرم و بار یک سیاه‌چاله و سرعت انبساط جهان را توصیف می‌کند) و یک میدان کوانتومی (جرم و بار میدان) ارزیابی شود.

عناصر ضروری فرمول کلاین و همکاران، ضرایب پراکندگی نامیده می شوند. این ضرایب اعدادی هستند که میزان انتقال اعوجاج میدانی به سیاهچاله یا انعکاس مجدد به فضا را توصیف می کنند. کلاین و همکاران از روش های توسعه یافته در تحقیقات قبلی خود برای محاسبه این ضرایب استفاده کردند.

کلاین می‌گوید: «جریان باید همیشه علامتی داشته باشد، اما ما دریافتیم که سهم غالب جریان در افق درونی بسته به پارامترهای فضا-زمان و میدان کوانتومی می‌تواند مثبت و همچنین منفی باشد.» لازم به ذکر است که در ناحیه پارامتریک سیاهچاله به حداکثر بار خود بسیار نزدیک است (اگر این بار زیاد شود افق رویداد دیگر کار نخواهد کرد و تکینگی مرکز سیاهچاله برهنه جریان همیشه به گونه ای است که باعث کاهش بار در افق داخلی می شود. “این پدیده تضمین می کند که بار هرگز از حداکثر مجاز تجاوز نمی کند.”

نتایج تجزیه و تحلیل محققان بسیار تعجب آور بود، زیرا آنها پیش بینی تصویر ذرات را نقض می کردند. برخلاف انتظارات، نتایج این تحلیل‌ها پیش‌بینی کرد که تحت شرایط خاصی، بار سیاه‌چاله در افق داخلی می‌تواند توسط میدان‌های کوانتومی افزایش یابد.

کلاین می‌گوید: «اگرچه نتایج عددی ما نمی‌تواند پارامترهای فضا-زمان و میدان کوانتومی واقعی را پوشش دهد، کار ما نشان می‌دهد که تصویر ذرات برای توضیح کامل اثرات کوانتومی درون سیاه‌چاله‌ها کافی نیست.

نتایج تحقیقات کلاین و همکاران ممکن است یافته‌های یافت شده در افق رویداد و همچنین نقض پیش‌بینی‌های تصویر ذرات را روشن کند. در واقع، کار آنها نشان می‌دهد که اثرات کوانتومی می‌توانند در نزدیکی افق درونی سیاه‌چاله‌های رویداد بسیار متفاوت از نزدیک افق رویداد رفتار کنند. جایی که انتظار می رود بارهای سیاهچاله کاهش یابد. علاوه بر این، این نتایج ممکن است الهام بخش مطالعات جدید برای بررسی اثرات کوانتومی مشابه در شرایط واقعی تر باشد.

کلاین می‌گوید: «ما انتظار داریم که سیاه‌چاله‌های واقع‌گرایانه یک بار زاویه‌ای کوچک، ناچیز، اما لحظه‌ای قابل توجه (حداکثر) داشته باشند. در واقع، سیاهچاله‌های قابل شارژ را فقط می‌توان به عنوان مدل‌های اسباب‌بازی برای چرخاندن سیاه‌چاله‌ها در نظر گرفت: آنها ویژگی‌های مشترک زیادی دارند، از جمله وجود یک افق درونی، اما شارژ کردن سیاه‌چاله‌ها از نظر ریاضی بسیار آسان‌تر است. یکی از جهت‌گیری‌های آینده تحقیقات فعلی ما، گسترش نتایج به سیاه‌چاله‌های مدور است. برخلاف تصور مبتذل فعلی، جالب است که ببینیم آیا اثرات کوانتومی می توانند دوره نزدیک به افق داخلی سیاهچاله را افزایش دهند یا خیر.