Dzięki ich tendencji do zasysania wszystkiego wokół nich - nawet lekkich - czarne dziury nie ujawniają wskazówek na temat ich pochodzenia ani historii. Ten frustrujący fakt doprowadził naukowców w latach 60. do ogłoszenia, że czarne dziury „nie mają włosów”. Przez to naukowcy rozumieli, że czarne dziury mają bardzo niewiele cech odróżniających je od siebie.
Teraz nowe obliczenia sugerują, że niektóre czarne dziury mogą wyhodować włosy, ale nie mogą ich długo utrzymać. Według nowej pracy czarne dziury, które wirują przy prawie (ale nie do końca) maksymalnym możliwym obrocie, wykazują pewne unikalne właściwości. Ale te właściwości nie utrzymują się długo, zanim czarna dziura stanie się „łysa” i stanie się nie do odróżnienia od innych tego rodzaju.
„To interesujące odkrycie, ponieważ jest to przemijające zachowanie” - powiedział autor badania Lior Burko, fizyk z Theiss Research w Kalifornii.
Metafora włosów czarnych dziur wyrosła z matematyki wykonanej przez fizyków Jacoba Bekensteina i Johna Wheelera w latach sześćdziesiątych i wczesnych siedemdziesiątych. Naukowcy argumentowali, że zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, czarne dziury można opisać jedynie trzema obserwowalnymi parametrami: ich masą, pędem kątowym i ładunkiem elektrycznym. Cała reszta, wszystkie inne informacje, są uwięzione w przyciąganiu grawitacyjnym czarnej dziury i dlatego nie można ich obserwować. Biorąc pod uwagę dwie czarne dziury pasujące do wszystkich trzech wartości, funkcjonalnie niemożliwe byłoby odróżnienie jednej od drugiej.
Od tego czasu teoretycy szukają czegoś, co może odróżnić czarne dziury od siebie. Gdyby naukowcy mogli to znaleźć, mogłoby to otworzyć nowe odkrycia na temat pochodzenia poszczególnych czarnych dziur. Na przykład, chociaż uważa się, że wiele czarnych dziur jest pozostałościami zapadniętych gwiazd, niektóre mogły powstać tuż po Wielkim Wybuchu, łącząc się z nienormalnie gęstych obszarów w najwcześniejszej uniwersalnej tkaninie. Jedna z tych pierwotnych czarnych dziur byłaby nie do odróżnienia od gwiezdnej czarnej dziury, gdyby obie miały tę samą masę, moment pędu i ładunek elektryczny.
W 2018 r. Grupa naukowców pod kierunkiem fizyka Dejana Gajica z University of Cambridge odkryła, że ekstremalne czarne dziury, te o maksymalnym możliwym ładunku elektrycznym, mają unikalne właściwości, które mogą odróżniać obiekty od siebie. Te właściwości obejmowały mierzalne zmiany w horyzoncie zdarzeń czarnej dziury (punkt, w którym siła grawitacji jest tak silna, że światło nie może uciec) i jej horyzoncie Cauchy'ego (punkt, w którym związek przyczynowy między przeszłością a przyszłością rozkłada się z powodu efekty zginania w czasie silnego pola grawitacyjnego).
Burko i jego koledzy zainteresowali się tym, czy unikalne właściwości mogą się utrzymywać w czarnych dziurach, które są prawie ekstremalne, ale nie całkiem. Naukowcy wykonali matematykę dla dwóch rodzajów czarnych dziur. Pierwsza to prawie ekstremalna czarna dziura Reissnera-Nordströma, rodzaj czarnej dziury, która ma prawie maksymalny możliwy ładunek elektryczny, ale się nie obraca. Druga, prawie ekstremalna czarna dziura Kerr, jest rodzajem czarnej dziury, która obraca się z niemal maksymalnym obrotem, ale nie ma ładunku elektrycznego.
W obu tych ekstremalnie czarnych dziurach naukowcy znaleźli na jakiś czas dowód na „włosy”. Unikalne właściwości niemal ekstremalnych czarnych dziur są mierzalne, gdy po raz pierwszy powstaje symulowana czarna dziura, naukowcy donosili 15 listopada w czasopiśmie Physical Review Research, ale z czasem zanikają w kwadratowej funkcji czasu. Oznacza to, że wartości początkowo szybko się zmniejszają, a następnie z czasem maleją. (Zespół badawczy nie obliczył, jak szybko miałoby to miejsce w czasie rzeczywistym, które różniłyby się w zależności od masy, spinu i ładunku danej czarnej dziury).
„Przez krótki czas zachowuje się tak, jakby miał włosy jak maksymalnie wirująca czarna dziura”, powiedział Burko dla Live Science. „Ale po jakimś czasie zaczyna tracić te włosy, by w końcu znów łysieją”.
Chociaż wszystkie te obliczenia są obecnie teoretyczne, istnieje nadzieja na obserwacje w świecie rzeczywistym, które pasowałyby lub zaprzeczałyby ustaleniom. Eksperyment laserowego interferometru Obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) obecnie aktywnie mierzy fale grawitacyjne, które są zmarszczkami w czasoprzestrzeni tworzonymi przez masywne obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury. LIGO wykorzystuje dwa naziemne obserwatoria do pomiaru fal grawitacyjnych. Pomiary te mogą zapewnić spojrzenie na owłosione czarne dziury.
Nadchodzący projekt, Laser Interferometer Space Antenna (LISA), uruchomi trzy statki kosmiczne do wykrywania fal grawitacyjnych z kosmosu. Ten projekt ma na celu wykrywanie fal grawitacyjnych z supermasywnych czarnych dziur. Burko powiedział, że nie wiadomo, jak długo te eksperymenty będą trwały, aby złapać niemal ekstremalną czarną dziurę, ale jeśli się pojawi, fale grawitacyjne mogą mieć włosy.
