На межі утворення чорних дір простір-час може ставати досить дивним. Тут звичайна фізика може стати тривожною, і розуміння космічних процесів часто вимагає складної математики та креативних рішень.

Тепер фізики вперше математично описали особливість геометрії простору-часу на межі утворення чорних дір. Тут кривизна простору-часу може організуватися в дуже впорядкований повторюваний стан, схожий на так звані часові кристали, екзотичні стани матерії, які повторюють атомні структури в часі.

І тут стає ще цікавіше. З невеликим збуренням енергії ці кристалічні структури простору-часу можуть колапсувати в мікроскопічні чорні діри.

"Іноді маленька, здавалося б, незначна причина може викликати величезну і драматичну зміну", - говорить фізик Даніель Грумілер з Технічного університету Відня в Австрії.

"Візьміть, наприклад, рідку воду при нульовій температурі. Дуже маленька зміна достатня, щоб вода замерзла. Молекули води тоді спонтанно організовуються в регулярний малюнок і формують кристал льоду."

Протягом більшої частини Всесвіту фізика поводиться красиво. Від орбіт планет до зіткнень галактик, теорія Ейнштейна загальної відносності описує гравітацію з вражаючою точністю.

Але на межі утворення чорних дір – відомій як критичний колапс – гравітація стає такою складною, що рівняння Ейнштейна стають майже неможливими для аналітичного розв'язання, змушуючи фізиків покладатися на комп'ютерні симуляції.

Ця межа описує делікатний режим, де гравітація готова до утворення чорної діри. Вона може або розсіятися без подій, або повністю колапсувати в чорну діру.

У 1993 році теоретичний фізик Метью Чоптуік зробив великий прорив.

Використовуючи комп'ютерні симуляції, Чоптуік виявив, що критичний стан на межі утворення чорних дір демонструє те, що називається дискретною самоподібністю: повторювані малюнки, які відлунюють через простір-час на все менших масштабах.

"Цей кристал простору-часу є дуже своєрідним і захоплюючим об'єктом", - говорить Грумілер.

"Це свого роду проміжний стан, нестабільна точка, яка може еволюціонувати в двох різних напрямках. Вона може просто розчинитися, залишивши звичайний простір-час, заповнений вільно рухомими частинками.

Але якщо додати невелику кількість енергії, еволюція йде зовсім іншим шляхом: непомітний кристал простору-часу перетворюється на чорну діру."

Протягом трьох десятиліть після роботи Чоптуіка фізики могли лише вивчати ці кристали простору-часу комп'ютерно; через складність розв'язання рівнянь Ейнштейна на межі критичного колапсу ніхто не розробив математику для їх опису.

Трюк, який знайшли Грумілер і його колеги, полягав у тому, щоб думати поза стандартними чотирма вимірами звичайного простору-часу.

У нашій Всесвіті простір-час має три просторові виміри і один часовий. Математично, однак, загальна відносність може бути написана для будь-якої кількості вимірів.

Дослідники підійшли до проблеми з думкою: що, якщо ми уявимо Всесвіт з набагато більшою кількістю вимірів?

"Наша Всесвіт має чотири виміри – три виміри простору і один вимір часу", - говорить фізик Крістіан Еккер з Інституту теоретичної фізики Франкфуртського університету в Німеччині.

"Але в принципі нічого не заважає нам записувати фізичні рівняння для більшої кількості вимірів – п'яти вимірів, сорока двох вимірів або навіть нескінченної кількості."

Як би це не звучало дивно, уявлення про Всесвіт з величезною кількістю вимірів може насправді полегшити розв'язання рівнянь Ейнштейна – гравітація стає менш розпорошеною і більш локально зосередженою поблизу колапсуючої області.

Уявляючи Всесвіт, що складається з сотень вимірів, дослідники змогли вивести аналітичні формули, які насправді описують повторювані, фрактальні структури в кривизні простору-часу, які спонтанно виникають під час колапсу чорної діри.

Ці рівняння не просто працювали в абсурдно високих вимірах, також.

Дослідники виявили, що ті ж математичні структури зберігаються навіть при значно нижчих вимірах, що свідчить про те, що ці дивні кристалічні стани можуть відображати щось фундаментальне про саму гравітацію.

Всесвіт може або не може містити сотні прихованих вимірів. Але уявляючи, що це так, вчені можуть отримати уявлення про гравітаційні процеси, які розгортаються в екстремальних режимах і які інакше були б надзвичайно складними для розуміння.

"Наша техніка виявилася надзвичайно стабільною. Залежно від бажаної точності, ми можемо систематично покращувати наші формули, використовуючи додаткові методи апроксимації", - говорить фізик Флоріан Еккер з Технічного університету Відня.

"Це дає нам новий метод для вивчення явищ, пов'язаних з чорними дірами, які раніше не могли бути проаналізовані аналітично."

Результати були опубліковані в Physical Review Letters.