Появление большинства известных черных дыр связано с бурными космическими событиями, в частности, с гибелью массивных звезд. Однако теоретически строгого нижнего предела размера черных дыр не существует: физика допускает существование объектов гораздо меньших размеров, чем гигантские черные дыры в центрах галактик.
Крайне малые черные дыры могут возникать из особых критических состояний, в которых добавление даже ничтожного количества энергии определяет, рассеется ли система или коллапсирует. Такие условия могли существовать в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва, когда материя и энергия были сжаты в невероятно хаотичной среде.
«Иногда крошечной, кажущейся незначительной причины достаточно, чтобы вызвать огромное драматическое изменение, — объясняет соавтор исследования, профессор Венского технического университета Даниэль Грумиллер. — Возьмите, например, жидкую воду при нуле градусов Цельсия. Минимального воздействия на нее достаточно, чтобы вода замерзла. Молекулы воды спонтанно выстраиваются в регулярный узор и формируют кристалл льда».
Теория относительности Эйнштейна предполагает, что с пространством-временем может происходить нечто концептуально похожее. Материя влияет на геометрию пространства-времени, и изменения в распределении частиц могут менять его кривизну. «Мы говорим, что пространство-время искривляется массой, — поясняет Кристиан Эккер из Института теоретической физики университета Гете. — Большие объекты — например, звезды, сильно искривляют пространство-время, но меньшие массы тоже могут провоцировать искривления, просто в меньшей степени».
При критических условиях такие искривления могут организоваться в повторяющийся узор в пространстве и времени. Авторы работы назвали такую структуру «кристалл пространства-времени». «Это очень необычный и завораживающий объект, — говорит Грумиллер. — Это промежуточное состояние, неустойчивая точка, которая может эволюционировать в двух разных направлениях. Она может снова раствориться. Но если добавить минимальное, незначительное количество энергии, эволюция пойдет совершенно другим путем: неприметный кристалл пространства-времени превратится в черную дыру».
Компьютерные симуляции впервые показали в 1993 году, что черные дыры могут формироваться спонтанно через такое критическое поведение, но вывести необходимые формулы оказалось чрезвычайно сложно. Теперь ученые нашли обходной путь, изменив число измерений в расчетах. Определенные сложные вычисления становятся гораздо проще, когда число измерений стремится к бесконечности. Проанализировав проблему в этой гипотетической обстановке, авторы работы перевели решение обратно к четырехмерному пространству-времени, в котором мы живем. Эта математическая хитрость позволила получить информацию о критическом коллапсе, которую ранее было крайне трудно выяснить аналитически.
Ранее ученые увидели, как черная дыра разорвала на части «сверхсолнце», устроив мощнейший взрыв.