Co jest w centrum czarnej dziury? Fizycy: osobliwość to "powierzchnia"

W klasycznym opisie czarnych dziur od dawna zakładano, że w samym ich wnętrzu znajduje się osobliwość — miejsce, którego nie da się opisać znanymi prawami fizyki. Najczęściej wyobrażano ją sobie jako punkt o nieskończonej gęstości ulokowany w centrum. Najnowsze rozważania dotyczące geometrii czasoprzestrzeni w pobliżu tego obszaru prowadzą jednak do innego wniosku: osobliwość może mieć charakter "powierzchniowy", a nie punktowy.

Za takim podejściem opowiadają się Andrew J. S. Hamilton z University of Colorado Boulder oraz Tyler McMaken z University of Mary. W swojej pracy naukowej argumentują, że w przypadku czarnej dziury Schwarzschilda — czyli nierotującej — osobliwość należy rozumieć jako rozciągłą, trójwymiarową powierzchnię. Hamilton przyznawał, że wnioski były dla niego zaskakujące, ale jednocześnie lepiej porządkują intuicję dotyczącą "płaskiego" charakteru osobliwości w tym modelu.

Takie ujęcie stoi w kontrze do tradycyjnego obrazu, szczególnie utrwalonego od lat 30. XX wieku, kiedy osobliwość w czarnej dziurze nierotującej przedstawiano jako punkt. Późniejsze prace z lat 60. pokazały natomiast, że przy czarnych dziurach rotujących osobliwość przybiera formę pierścienia. Mimo to w odniesieniu do standardowej czarnej dziury Schwarzschilda model punktowy przez dekady pozostawał najczęściej wykorzystywany, bo był najłatwiejszy do wyobrażenia.

Hamilton wskazuje, że trop do innej interpretacji pojawił się u niego już w latach 90., gdy podczas zajęć z astronomii próbował wyobrazić sobie przebieg "spadania" do wnętrza czarnej dziury. W toku tych rozważań zwrócił uwagę na konsekwencję wynikającą z ogólnej teorii względności: jeśli dwóch obserwatorów wpadnie do tej samej czarnej dziury z odmiennych kierunków, to nie istnieje scenariusz, w którym dotrą do tego samego miejsca — pozostają względem siebie trwale odcięci przyczynowo. To podważa ideę jednej, wspólnej lokalizacji, do której musiałby prowadzić punktowy obraz osobliwości.

Wniosek badaczy jest jednoznaczny: "Osobliwość nie jest punktem. To trójwymiarowa granica przestrzenna, w której ogólna teoria względności przestaje działać". Taka interpretacja może też zmienić spojrzenie na osobliwości czarnych dziur Kerra (rotujących), które — według tej perspektywy — mogą być bardziej zbliżone do przypadku Schwarzschilda, niż dotąd zakładano.

Propozycja Hamiltona i McMakena ma szersze znaczenie niż sama geometria wnętrza czarnej dziury. Jeśli osobliwość jest rozciągłą granicą, łatwiej matematycznie analizować, w jaki sposób i gdzie dokładnie załamują się mechanizmy ogólnej teorii względności — a tym samym precyzyjniej wyznaczać zakres jej stosowalności. To z kolei wiąże się z poszukiwaniami kwantowej teorii grawitacji, która miałaby połączyć ogólną teorię względności z mechaniką kwantową. Hamilton podkreśla, że grawitacja kwantowa pozostaje jednym z centralnych wyzwań fizyki teoretycznej, a osobliwe "powierzchnie" czarnych dziur mogą być miejscem, gdzie ten problem ujawnia się w naszym Wszechświecie.