Чорна діра визначається не масою і не яскравістю, а горизонтом подій — межею, з-за якої не вибирається навіть світло. Саме горизонт створює головну теоретичну проблему: інформація, що падає за нього, за законами квантової механіки нібито не повинна зникати назавжди, а загальна теорія відносності наполягає на протилежному. Це і є інформаційний парадокс, і саме він підштовхнув фізиків шукати альтернативи — компактні об'єкти без горизонту, які здалеку виглядають майже як чорні діри, але мають фізичну поверхню замість точки неповернення. Такі об'єкти в літературі називають "foils" (двійниками чи підмінами чорних дір).

Проблема з цими двійниками завжди була в тому, що їхня внутрішня фізика — невідома і часто довільна: різні моделі пропонують екзотичну матерію, квантові поправки чи нові взаємодії, які важко перевірити напряму. Нова робота Шокуфе Фараджі та Ейвері Бродеріка заходить з іншого боку: замість дискусій про мікрофізику поверхні автори питають, що станеться зі звичайною, добре відомою баріонною матерією (протонами, електронами, звичайним газом), яка падає на таку поверхню під час акреції.

Осідаючий шар баріонів приховує будь-яку поверхню

Автори показують, що для типових астрофізичних об'єктів, що акретують речовину, майже незалежно від конкретної моделі двійника, компактна поверхня без горизонту буде оточена оптично товстим шаром осідаючого баріонного газу. Цей шар домінується розсіянням фотонів і ефективно перетворює кінетичну енергію матерії, що падає, на теплове випромінювання, яке можна спостерігати.

Іншими словами, навіть якщо сама поверхня двійника має екзотичну і незрозумілу природу, звичайний газ, який на неї падає, гальмується, стискається і розігрівається за цілком стандартними фізичними законами. Результатом стає своєрідна атмосфера — щось на кшталт зоряної фотосфери, тільки навколо гіпотетичного об'єкта замість чорної діри.

Світність прямує до рівноважної точки, поверхня майже не має значення

Ключовий результат: світність фотосфери, що формується в цьому шарі, витягується до значення, яке визначається темпом акреції, — так званого рівноважного акреційного значення. При цьому вона лише слабко залежить від гравітаційного червоного зсуву на самій поверхні двійника.

Це означає, що навіть якщо поверхня об'єкта надзвичайно екстремальна (тобто розташована дуже близько до того місця, де формувався б горизонт, і має величезний червоний зсув), спостережувана фотосфера все одно утворюється на помірному червоному зсуві. Атмосфери, за розрахунками авторів, є конвективно стабільними — тобто вони не розвивають турбулентного перемішування, яке могло б суттєво змінити картину.

Мінімальна температура: атмосфера не буває холодною

Ще один важливий висновок стосується температури. Локальна взаємодія газу з поверхнею двійника задає мікрофізичну нижню межу ефективної базової температури. Це означає, що атмосфера захищає модель від сценарію "як завгодно холодного" двійника — навіть якщо сама поверхня в принципі могла б не випромінювати тепло, взаємодія з падаючим газом все одно нагріває систему до певного мінімального рівня.

Таким чином, невідомі властивості поверхні входять у розрахунки лише через локальні граничні умови — параметри, що описують, як газ обробляється й термально контактує з поверхнею. Це робить результат застосовним до широкого класу моделей-двійників, за винятком тих, що вводять значні додаткові нелокальні взаємодії (наприклад, якісь дальнодіючі квантові ефекти поза стандартною гравітацією).

Спостережний тест: відсутність фотосфери як вирок для моделі

Головний практичний висновок роботи: за мінімальних припущень — звичайна загальна теорія відносності зовні об'єкта плюс локальна взаємодія газу з поверхнею — двійники чорних дір генерично видають себе спостережно. Якщо навколо компактного об'єкта, що акретує речовину, немає теплової фотосфери передбаченої властивості, це напряму обмежує або взагалі виключає широкі класи горизонтоалальтернативних моделей.

Це важливо, бо переносить дискусію про двійників чорних дір з чисто теоретичної площини (яка мікрофізика можлива в принципі) у площину спостережну: тепер конкретні дані про акретуючі компактні об'єкти — від зоряних мас до надмасивних — можна використовувати як прямий тест на існування горизонту.