Изследователи от Университета "Джонс Хопкинс" са открили хипотетичен небесен обект, наречен топологичен солитон, който имитира черна дупка, но излъчва слаби светлинни лъчи.

Той изглежда като черна дупка и огъва светлината като черна дупка, но всъщност може да е нов тип звезда.

Топологичен солитон

По принцип солитон се нарича структурно стабилна самотна вълна, която се разпространява в нелинейна среда.

Топологията е наука за непрекъснатостта. В математиката една функция се казва, че е непрекъсната, ако една малка промяна на аргумента, причинява само малка промяна в резултата.

Ако това не е така, за функцията се казва, че е прекъсната.

В топологията формата е без значение - обектите са все едно направени от фантастично еластичен материал, който можем да огъваме, разтегляме и мачкаме колкото си искаме, но без да ги чупим, разрушаваме или им правим дупки.

Топологичните солитони се срещат в много нелинейни класически теории на полето. Те са стабилни, подобни на частици обекти, с ограничена маса и гладка структура.

Въпреки че загадъчният обект е хипотетична математическа конструкция, новите симулации на изследователите от Университета "Джонс Хопкинс" предполагат, че в космоса може да има и други небесни тела, скрити дори от най-добрите телескопи на Земята. Откритията ще бъдат публикувани в списание Physical Review D, а сега са на свободен достъп в arХiv 

"Бяхме много изненадани", разказва Пиер Хайдман (Pierre Heidmann), физик от Университета "Джонс Хопкинс", ръководител на изследването. "Обектът изглежда идентичен с черна дупка, но от тъмното му петно излиза светлина."

Откриването на гравитационните вълни през 2015 г. разтърси света на астрофизиката, защото потвърди съществуването на черните дупки. Вдъхновен от тези открития, екипът на "Джонс Хопкинс" си поставя за цел да проучи възможността за други обекти, които биха могли да предизвикат подобни гравитационни ефекти, но които биха могли да се възприемат като черни дупки, когато се наблюдават със свръхпрецизни сензори на Земята, обяснява съавторът и физик от "Джонс Хопкинс" Ибрахима Бах (Ibrahima Bah).

"Как бихте разбрали, че не е налице черна дупка? Не разполагаме с добър начин да проверим това", споделя Бах. "Изучаването на хипотетични обекти като топологични солитони ще ни помогне да разберем и това."

Видеоклип, показващ ефектите на гравитационна леща, причинени от липсата на обект в зрителната линия на наблюдателя, черна дупка и топологичен солитон. Кредит: Pierre Heidmann/Johns Hopkins University

Ефекти от гравитационни лещи на гладките безхоризонтни солитони в сравнение с плоско пространство и черна дупка на Шварцшилд. Отляво надясно: пете различни фона, плоско пространство, два вида топологични звезди, топологичният солитон на Шварцшилд и черната дупка на Шварцшилд. Отгоре надолу: четирицветна картина, изминалото време, максималното червено отместване, две „художествени“ небесни картини и картината на акреционния диск. Кредит: https://arxiv.org/abs/2212.06837 

Новите симулации изобразяват реалистично обект, който екипът на "Джонс Хопкинс" нарича топологичен солитон. Симулациите показват обект, който отдалеч изглежда като размазана снимка на черна дупка, но отблизо - като нещо съвсем друго.

На този етап обектът е хипотетичен. Но фактът, че екипът е успял да го конструира с помощта на математически уравнения и да покаже как изглежда със симулации, предполага, че в космоса може да има и други видове небесни тела, скрити дори от най-добрите телескопи на Земята.

Откритията показват как топологичният солитон изкривява пространството точно както го прави черната дупка - но се държи различно от черна дупка, тъй като накъсва и освобождава слаби светлинни лъчи, които не биха избягали от силната гравитационна сила на истинска дупка.

"Светлината е силно огъната, но вместо да бъде погълната, както би било при черна дупка, тя се разпръсква с колебливи движения, докато в един момент не се върне обратно по хаотичен начин", разказва Хайдман. "Не се вижда тъмно петно. По-скоро се вижда силно размазване, което означава, че светлината обикаля като бясно около този странен обект."

Гравитационното поле на черната дупка е толкова интензивно, че светлината може да обикаля около нея на определено разстояние от центъра ѝ, по същия начин, по който Земята обикаля около Слънцето. Това разстояние определя ръба на "сянката" на дупката, така че всяка идваща светлина ще се сблъска фатално с областта, която учените наричат "хоризонт на събитията". Там нищо не може да избяга - дори и светлината.

Екипът от  "Джонс Хопкинс" симулира няколко сценария, използвайки снимки на космическото пространство, сякаш заснети с фотоапарат, поставяйки черната дупка и топологичния солитон пред обектива. Резултатите водят до изкривяване на снимките поради гравитационните ефекти на масивните тела.

"Това са първите симулации на обекти от теорията на струните, които са от значение за астрофизиката, тъй като всъщност можем да определим разликите между топологичен солитон и черна дупка, сякаш наблюдател ги вижда в небето", посочва Хайдман.

Илюстрация на решетки с изкуствен фон. Камерата (сивата точка) е върху „небесната“ сфера, центрирана около гравитационните обекти (представени като бяла топка). Сферата има голям радиус по отношение на размера на обекта: R = 20M за първите три фона и R = 40M за последния. За първия фон сферата е покрита от четирицветен пластир с мрежа от меридиани и ширини под ъгъл π/20. За втория и третия фон небесната сфера е покрита с изображения на Млечния път. За последния фон сферата е напълно черна и има ярък „акреционен диск“. Небесните сфери са изкуствено изрязани, за да се подобри четливостта на фигурите. Кредит: https://arxiv.org/abs/2212.06837 

Мотивирани от различни резултати от теорията на струните, Бах и Хайдман откриват начини за конструиране на топологични солитони, използвайки Общата теория на относителността на Айнщайн през 2021 г. Въпреки че солитоните не са предсказания за нови обекти, те служат като най-добрите модели за това как биха могли да изглеждат новите обекти на квантовата гравитация в сравнение с черните дупки.

Учените и преди са създавали модели на бозонни звезди и други хипотетични обекти, които биха могли да упражняват подобни гравитационни ефекти с екзотични форми на материя. Но новото изследване отчита важни теории за вътрешното функциониране на Вселената, които другите модели не отчитат. То използва теорията на струните, която съвместява квантовата механика и теорията на Айнщайн за гравитацията, посочват изследователите.

Топологичният солитон в симулациите е конструиран за първи път в изследване, публикувано през 2022 г. от групата на Бах.

“Imaging Topological Solitons: the Microstructure Behind the Shadow” by Pierre Heidmann, Ibrahima Bah and Emanuele Berti, Physical Review D https://arxiv.org/abs/2212.06837 .

Scientists find new ways to track stars eaten by black holes, Johns Hopkins University