Звезды светят благодаря термоядерному синтезу в их недрах. Когда в массивной звезде заканчивается ядерное топливо, давление излучения больше не может противостоять гравитации, и звезда коллапсирует под собственной массой. Согласно стандартной теории, коллапс продолжается до тех пор, пока вся масса не сожмется в бесконечно малую точку — сингулярность, и не образуется черная дыра.
Но именно здесь у физиков и возникают проблемы. Как можно сжать 10 млрд солнечных масс в одну крошечную точку? Как пространство-время может быть там бесконечно искривлено? В сингулярности законы физики перестают работать. Кроме того, черные дыры скрывают всю информацию за горизонтом событий.
Возможно, черные дыры — это совсем другие объекты? Одна из альтернативных гипотез — гравастары (от gravitational vacuum star — гравитационно-вакуумная звезда). Это ультракомпактные звезды, почти такие же массивные и плотные, как черные дыры, но без сингулярности и горизонта событий. Их внешние слои состоят из обычного вещества, а внутри они заполнены темной энергией, которая создает внешнее давление и не дает звезде схлопнуться под действием собственной гравитации. Для физиков гравастары предпочтительнее черных дыр, но до сих пор было неясно, как они могут образоваться в реальности.
Физики-теоретики Даниэль Ямпольски и профессор Лучано Реццола из университета Гёте во Франкфурте-на-Майне (Германия) впервые представили динамическое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна, которое описывает рождение гравастара.
Согласно их модели, звезда коллапсирует почти до состояния черной дыры. В какой-то момент, когда материя уже сжата до экстремальной степени, внутри нее происходит «Большой взрыв» — рождается миниатюрная вселенная, очень похожая на ту, в которой мы живем. Эта мини-вселенная начинает расширяться, и расширение это, как и в нашей Вселенной, движимо темной энергией. Расширение мини-вселенной противодействует гравитационным силам, стягивающим звезду, и останавливает коллапс как раз перед тем, как должна была бы образоваться черная дыра. Между расширяющейся мини-вселенной и коллапсирующим веществом устанавливается равновесие, которое и порождает стабильный гравастар.
«Большой взрыв» возникающей вселенной может развернуться после того, как звезда уже почти коллапсировала до состояния черной дыры. Легче представить, что Большой взрыв происходит только на очень поздней стадии, когда материя уже сжата до экстремальной степени, что порождает новые эффекты
Реццола добавляет: «Поиск альтернатив черным дырам не должен означать скептицизм в отношении черных дыр, которые по-прежнему представляют собой наиболее естественное и простое решение проблемы гравитационного коллапса. Однако как ученым в целом, и особенно как физикам-теоретикам, важно сохранять непредвзятый подход к тому, чего мы не знаем, и исследовать как общепринятые представления, так и более экзотические интерпретации. История учит нас, что нередко последние становятся первыми».
Работа физиков из Франкфурта предоставляет первый ответ на вопрос, который обсуждается в научном сообществе уже 25 лет: как вообще гравастары могут формироваться при коллапсе обычной материи? Нерешенное поведение экстремально сжатой материи оставляет пространство для новой физики, и предложенное решение открывает путь к проверке гипотезы о существовании гравастаров — объектов, которые могли бы объяснить те же астрофизические явления, что и черные дыры, но без сопровождающих их теоретических парадоксов.
Статья опубликована в научном журнале Physical Review D.
Ранее Наука Mail рассказывала о находке первых доказательств существования «звезд-черных дыр».
