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.

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

Изследователи от Университета "Джонс Хопкинс" са провели симулации, които предполагат съществуването на нов тип небесен обект, който много прилича на черна дупка. Наречен топологичен солитон, този хипотетичен обект изкривява пространството по същия начин като черната дупка, но разпръсква и освобождава слаби светлинни лъчи, вместо да ги поглъща. Изследователите са използвали математически уравнения и симулации, за да конструират обекта, което показва, че в пространството може да има и други скрити небесни тела. Това изследване се основава на теорията на струните и има за цел да съгласува квантовата механика с теорията на Айнщайн за гравитацията, като в бъдеще може да предложи нови видове ултракомпактни звезди.

"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."

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.

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.

Справка: “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 .