Kosmos wydaje się mieć preferencję dla rzeczy, które są okrągłe. Planety i gwiazdy mają tendencję do bycia kulami, ponieważ grawitacja przyciąga obłoki gazu i pyłu w kierunku środka masy. To samo dotyczy czarnych dziur — a dokładniej horyzontów zdarzeń czarnych dziur — które zgodnie z teorią muszą mieć kulisty kształt we wszechświecie o trzech wymiarach przestrzeni i jednym wymiarze czasu.
Ale czy te same ograniczenia mają zastosowanie, jeśli nasz wszechświat ma większe wymiary, jak się czasem postuluje — wymiary, których nie możemy zobaczyć, ale których efekty są wciąż namacalne? Czy przy tych ustawieniach możliwe są inne kształty czarnych dziur?
Odpowiedź na to ostatnie pytanie, mówi nam matematyka, brzmi: tak. W ciągu ostatnich dwudziestu lat naukowcy znajdowali sporadyczne wyjątki od reguły, która ogranicza czarne dziury do sferycznego kształtu.
Teraz nowy artykuł idzie znacznie dalej, pokazując w obszernym dowodzie matematycznym, że możliwa jest nieskończona liczba kształtów w wymiarze piątym i wyższym. Artykuł pokazuje, że równania ogólnej teorii względności Alberta Einsteina mogą prowadzić do powstania ogromnej różnorodności egzotycznie wyglądających, wielowymiarowych czarnych dziur.
Nowa praca ma charakter czysto teoretyczny. Nie mówi nam, czy takie czarne dziury istnieją w naturze. Ale gdybyśmy w jakiś sposób wykryli takie dziwnie ukształtowane czarne dziury – być może jako mikroskopijne produkty zderzeń w zderzaczu cząstek – „to automatycznie pokazałoby, że nasz Wszechświat jest wielowymiarowy” – powiedział Marcus Khuri, geometra ze Stony Brook University i współautor nowej pracy wraz z Jordanem Rainone, niedawnym doktorem matematyki w Stony Brook. „Teraz pozostaje więc kwestia czekania, aby sprawdzić, czy nasze eksperymenty mogą je wykryć”.
Pączek z czarną dziurą
Podobnie jak wiele historii o czarnych dziurach, ta zaczyna się od Stephena Hawkinga, a konkretnie od jego dowodu z 1972 r., że powierzchnia czarnej dziury w określonym momencie musi być dwuwymiarową kulą. (Podczas gdy czarna dziura jest obiektem trójwymiarowym, jej powierzchnia ma tylko dwa wymiary przestrzenne).
Niewiele myślano o rozszerzeniu twierdzenia Hawkinga aż do lat 80. i 90. XX wieku, kiedy narastał entuzjazm dla teorii strun — idei, która wymaga istnienia być może 10 lub 11 wymiarów. Fizycy i matematycy zaczęli wtedy poważnie rozważać, co te dodatkowe wymiary mogą implikować dla topologii czarnych dziur.
Czarne dziury to jedne z najbardziej kłopotliwych przewidywań równań Einsteina — 10 połączonych nieliniowych równań różniczkowych, z którymi niezwykle trudno sobie poradzić. Ogólnie rzecz biorąc, można je jawnie rozwiązać tylko w wysoce symetrycznych, a zatem uproszczonych okolicznościach.
W 2002 roku, trzy dekady po uzyskaniu wyników przez Hawkinga, fizycy Roberto Emparan i Harvey Reall — obecnie odpowiednio z Uniwersytetu w Barcelonie i Uniwersytetu w Cambridge — znaleźli wysoce symetryczne rozwiązanie równań Einsteina w postaci czarnej dziury w pięciu wymiarach (cztery przestrzeni plus jeden z czasem). Emparan i Reall nazwali ten obiekt „czarnym pierścieniem” — trójwymiarową powierzchnią o ogólnych konturach pączka.
Trudno jest wyobrazić sobie trójwymiarową powierzchnię w pięciowymiarowej przestrzeni, więc zamiast tego wyobraźmy sobie zwykły okrąg. Każdy punkt na tym okręgu możemy zastąpić dwuwymiarową kulą. Rezultatem tego połączenia koła i sfer jest trójwymiarowy obiekt, który można by traktować jako solidny, grudkowaty pączek.
W zasadzie takie czarne dziury przypominające pączki mogłyby powstać, gdyby wirowały z odpowiednią prędkością. „Jeśli wirują zbyt szybko, rozpadną się, a jeśli nie będą się obracać wystarczająco szybko, znów staną się piłką” – powiedział Rainone. „Emparan i Reall znaleźli złoty środek: ich pierścień obracał się wystarczająco szybko, by pozostać jak pączek”.
