Nuclee cuantice remodelate schimbă în mod opus vibrația găurilor negre
Centrul unei găuri negre rămâne ascuns privirii, dar modul în care vibrează ar putea trăda ce se află acolo. Teoria lui Einstein prevede o singularitate – un punct de densitate infinită unde ecuațiile își pierd sensul. Gravitația cuantică sugerează înlocuirea acestui punct cu o structură finită. Cum poate fi observată? Prin „ascultare”: o gaură neagră perturbată, de exemplu după o fuziune, emite unde gravitaționale în câteva tonuri care se estompează rapid, numite moduri cvasinormale. Fiecare ton are o înălțime și o rată de estompare dictate de geometria spațiu-timpului din jur.
Trei modele de găuri negre cu nuclee remodelate de idei din gravitația cuantică au fost analizate. Rezultatele arată un tipar simplu: acolo unde gravitația slăbește la distanțe mici, gaura neagră vibrează mai sus și mai mult; acolo unde gravitația devine mai puternică, tonul coboară și se stinge mai repede. Primul model, bazat pe o constantă gravitațională care crește lângă centru, păstrează singularitatea, dar o împrăștie pe o sferă de densitate Planck, ascunsă după orizont. Al doilea, construit de Alfio Bonanno și Martin Reuter în 2000, înlocuiește singularitatea cu un nucleu neted și adaugă un al doilea orizont interior. Al treilea, modelul Hayward, fără singularitate, are un parametru care fixează dimensiunea nucleului; la valoarea critică 32/27, cele două orizonturi fuzionează.
Pentru a calcula tonurile, echipa a folosit o metodă spectrală Cebîșev, care transformă problema într-o matrice de valori proprii rezolvată cu 200 de cifre zecimale. Pe gaura neagră a lui Einstein, metoda redă tonurile cunoscute cu șase zecimale exacte. Cazul extrem al găurii negre Hayward, cu orizonturile fuzionate, a necesitat o versiune separată a ecuațiilor.
Tonul gravitațional principal dezvăluie contrastul. Gaura neagră Hayward extremă vibrează cu 9,5% mai sus decât cea a lui Einstein de aceeași masă și se estompează cu 22,1% mai lent, prelungind vibrația cu 28%. Gaura neagră Bonanno–Reuter extremă vibrează cu 12,0% mai sus și se estompează cu 22,3% mai lent. Steaua Planck de o masă Planck merge în direcția opusă: tonul principal este cu 25,0% mai jos și se estompează cu 21,6% mai repede. Undele electromagnetice, dependente doar de geometrie, urmează același tipar: pentru gaura neagră Hayward extremă, tonul lor principal crește cu 8,0% și se estompează cu 17,9% mai lent.
Explicația stă în inelul de lumină, regiunea unde lumina poate orbita gaura neagră. Acolo se naște vibrația. Când gravitația slăbește lângă centru, inelul se mută spre interior – pentru gaura neagră Hayward extremă, de la 3 la 2,65 ori masa – undele circulă mai repede, iar orbita devine mai puțin instabilă, astfel încât tonul urcă și persistă mai mult. Când gravitația crește, ca în steaua Planck, inelul se mută spre exterior, de la 3 la 4,14 ori masa, iar tonul coboară.
Astfel de tonuri nu pot fi detectate astăzi. Nucleul contează doar când are dimensiunea găurii negre, ceea ce pentru un nucleu fixat de gravitația cuantică înseamnă câteva mase Planck, adică zeci de micrograme. Pentru o gaură neagră de masa Soarelui, schimbarea ar fi mai mică de o parte din 10⁷⁶, deci găurile negre detectate vibrează așa cum prevede Einstein. Astfel de găuri negre mici ar putea apărea în ultima clipă a evaporării găurilor negre primordiale. Rămâne harta: trilogia arată ce tip de nucleu lasă ce amprentă – gravitație mai slabă la centru produce un clopot mai bun, care vibrează mai sus și mai mult, în timp ce gravitația mai puternică dă un sunet mai jos și mai scurt. Tabelele precise de tonuri, codurile și spectrele sunt disponibile public.
