А что если внутри черной дыры есть живая звезда? Физики доказали, что это возможно

В рамках общей теории относительности классический гравитационный коллапс рассматривается как процесс с неизбежным финалом. Если массивный космический объект сжимается сильнее определенного критического радиуса, собственный вес материи преодолевает любое внутреннее давление. В результате вещество сжимается в точку с нулевым объемом и бесконечной плотностью — физическую сингулярность. Возникающий вокруг этой области горизонт событий служит границей, за которую не могут выйти ни излучение, ни вещество.

Долгое время в теоретической физике считалось бытовой истиной, что формирование горизонта событий всегда означает полную гибель центрального объекта и уничтожение его структуры. Однако физики Чэнь Тань и Юн-Цян Ван из Ланьчжоуского университета (КНР) опубликовали расчеты, демонстрирующие иной сценарий. Рассчитанная ими математическая модель показывает, что горизонт событий может сформироваться во внешнем пространстве вокруг стабильной, полноценной нейтронной звезды, не вызывая её сжатия в сингулярность.

Проблема сингулярности и поиск альтернативных решений

Сингулярность представляет собой серьезную проблему для фундаментальной физики. В точке с бесконечной плотностью известные уравнения пространства-времени теряют математический смысл. Чтобы обойти это ограничение, исследователи разрабатывают концепции регулярных черных дыр. Это теоретические объекты, которые обладают горизонтом событий и закрывают внутреннюю область от внешнего наблюдателя, но внутри не содержат точек с бесконечной плотностью.

Для построения регулярной черной дыры требуется особый источник гравитационного поля. Ранее физики доказали, что таким источником может служить гало темной материи с особыми физическими свойствами — анизотропным давлением. В этой модели темная материя оказывает разное давление в разных направлениях: вдоль радиуса от центра к периферии давление является отрицательным (p_r = -ρ_d · c²), а в поперечных направлениях — положительным. Отрицательное радиальное давление создает эффект растяжения пространства, который противодействует гравитационному сжатию и предотвращает появление сингулярности.

Китайские исследователи Чэнь Тань и Юн-Цян Ван продвинулись дальше и рассмотрели комбинированную систему. Они рассчитали, что произойдет, если в центр такого гало темной материи поместить реальный барионный объект — нейтронную звезду.

Физические свойства компонентов системы

Для проведения расчетов исследователи сформировали модель из двух независимых материей компонентов, взаимодействующих между собой только через гравитационное поле.

Первый компонент — нейтронная звезда. Это остаток эволюции массивной звезды, состоящий из барионного вещества (преимущественно нейтронов). При массе от 1,4 до 2,5 масс Солнца радиус нейтронной звезды составляет всего 10-12 километров. Плотность вещества в ее центре превышает плотность атомного ядра. Внутреннее давление звезды, противостоящее гравитации, определяется законами ядерной физики. Чтобы расчеты не зависели от одной конкретной гипотезы о поведении сжатого ядерного вещества, авторы применили два разных и наиболее признанных уравнения состояния материи — BSk19 и SLy4.

Второй компонент — гало темной материи. Его распределение в пространстве описывается профилем Эйнасто, который задает изменение плотности от центра к периферии. Гало характеризуется тремя основными параметрами:

• Центральная плотность (ρ₀) — определяет общую массу темной материи.
• Радиус масштаба (h) — задает расстояние, на котором плотность начинает существенно снижаться.
• Индекс Эйнасто (n) — определяет крутизну спада плотности от центра к краям.

Главное свойство темной материи в этой модели заключается в том, что она протягивается далеко за пределы физической поверхности нейтронной звезды.

Механика образования горизонта событий

Для анализа геометрии пространства-времени вокруг и внутри системы ученые использовали модифицированные уравнения Толмена — Оппенгеймера — Волкова. Эти уравнения описывают гидростатическое равновесие космического тела с учетом законов общей теории относительности.

Геометрия пространства-времени описывается через метрический коэффициент, отвечающий за радиальную координату. Обозначим его значение как фактор пространственной метрики:

• Если фактор пространственной метрики больше нуля, пространство имеет стандартные свойства. Область является статичной, а физические процессы протекают в привычном режиме.
• Если фактор пространственной метрики равен нулю, это означает наличие границы — горизонта событий.
• Если фактор пространственной метрики становится меньше нуля, пространственная и временная координаты математически меняются функциональными ролями. Движение материи из этой области наружу становится физически невозможным.

Анализ полученных решений показал следующую структуру системы от центра к периферии:

1. Внутренняя область нейтронной звезды. В ядре и вплоть до поверхности звезды фактор пространственной метрики остается строго положительным. Внутреннее ядерное давление барионов полностью уравновешивает вес вышележащих слоев. Физические параметры плотности и давления везде остаются конечными.
2. Область за поверхностью звезды. На некотором расстоянии от поверхности нейтронной звезды барионная материя отсутствует, но присутствуют высокие концентрации темной материи. Накопленная масса барионного ядра и окружающего его гало темной материи на определенном радиусе достигает критической величины.
3. Слой горизонта событий. За пределами звезды фактор пространственной метрики снижается, пересекает нулевую отметку и становится отрицательным в некотором радиальном слое. Это означает формирование двух границ — внутреннего и внешнего горизонтов событий.
4. Внешнее пространство. На больших расстояниях от центра плотность темной материи снижается, фактор пространственной метрики снова становится больше нуля, и пространство возвращается к стандартным свойствам.

Таким образом, горизонт событий возникает не в центре звезды и не на ее поверхности, а в окружающем пространстве, заполненном темной материей. Нейтронная звезда оказывается полностью расположенной внутри внутреннего горизонта событий, сохраняя свою целостность и неизменную структуру.

Три режима системы и фазовая диаграмма

Формирование горизонта событий вокруг стабильной звезды возможно не при любых условиях. Исследователи построили фазовую диаграмму решений и установили существование трех четко разграниченных физических режимов.

В первом режиме плотность темной материи слишком мала. Гравитационное поле системы недостаточно велико для образования горизонта событий. Система представляет собой стандартную гибридную звезду.

Во втором режиме плотность и масштабы гало темной материи находятся в строго определенном интервале. Масса гало создает горизонт событий во внешнем слое, но при этом внешнее давление на нейтронную звезду не превышает предела прочности барионной материи. Формируется устойчивая конфигурация «нейтронная звезда внутри черной дыры».

В третьем режиме плотность темной материи превышает критический порог. Внешняя гравитационная нагрузка на барионную звезду становится настолько высокой, что для удержания равновесия потребовалось бы внутреннее давление, при котором скорость звука в веществе превысила бы скорость света. Это нарушает принцип причинности, гидростатическое равновесие становится невозможным, и барионная звезда коллапсирует.

Анализ показал, что этот вывод справедливо воспроизводится как для уравнения состояния BSk19, так и для SLy4. Это подтверждает, что возможность существования данной конфигурации является фундаментальным свойством уравнений общей теории относительности с анизотропной материей, а не следствием специфического выбора модели ядерных сил.

Проверка математической надежности результатов

Поскольку обнаруженная конфигурация является необычной с точки зрения классической астрофизики, исследователи провели всестороннюю проверку устойчивости численных методов. Требовалось исключить вероятность того, что отрицательное значение фактора пространственной метрики возникло из-за накопления погрешностей при вычислениях.

В ходе проверки были выполнены следующие процедуры:

• Вариация точности интегрирования: относительный допуск точности вычислений менялся в пределах восьми порядков (от 10⁻⁴ до 10⁻¹²). Изменение минимального значения метрического фактора при этом не превысило 10⁻¹¹, а расчетный радиус звезды изменился менее чем на 10⁻⁶ километра.
• Изменение шага интегрирования: максимальный шаг сетки вычислений (Δr_max) менялся от 0,1 до 100 метров. Это изменение оказало влияние на итоговую массу звезды в пределах 10⁻¹³ массы Солнца.
• Смена численного алгоритма: стандартный адаптивный метод Рунге — Кутты четвертого порядка был заменен на неявный алгоритм, предназначенный для решения жестких систем дифференциальных уравнений. Результаты полностью совпали.

Результаты проверки доказали, что решение является математически строгим и стабильным.

Физические ограничения и реалистичность параметров

При оценке полученных результатов необходимо учитывать физические ограничения модели. Для формирования горизонта событий вокруг нейтронной звезды требуется центральная плотность темной материи порядка 10¹⁸-10¹⁹ кг/м³.

Для сравнения: плотность обычного атомного ядра составляет порядка 10¹⁷ кг/м³, а средняя плотность темной материи в окрестностях Солнечной системы оценивается значениями порядка 10⁻²¹ кг/м³. Даже в центрах галактик современные астрофизические модели предсказывают плотности темной материи, которые на многие порядки ниже требуемых в данном исследовании.

По этой причине разработанную модель следует рассматривать в первую очередь как теоретическое исследование и доказательство принципиальной возможности. В рамках текущего уравнения состояния темной материи (p_r = -ρ_d · c²) необходимы экстремально высокие массы для создания нужной кривизны пространства-времени. Однако авторы отмечают, что при модификации уравнения состояния темной материи или использовании иных профилей плотности требования к необходимой плотности могут быть существенно снижены.

Научное значение открытия

Работа Чэнь Таня и Юн-Цян Вана меняет теоретические представления о природе черных дыр и границах горизонтов событий.

Основной научный вывод состоит в следующем: факт существования горизонта событий не означает, что внутри него обязательно находится сингулярность или полностью разрушено вещество. При определенных свойствах окружения пространственно-временной горизонт может служить внешней оболочкой, внутри которой находится стабильный астрофизический объект, подчиняющийся стандартным законам гидростатического равновесия.

Это исследование открывает новые направления для теоретической физики. В дальнейшем ученым предстоит решить задачу о динамической устойчивости такой системы при радиальных пульсациях и выяснить, существуют ли косвенные признаки, по которым внешний наблюдатель сможет отличить черную дыру с нейтронной звездой внутри от стандартной черной дыры. К таким признакам могут относиться специфические профили гравитационных волн при слияниях или особенности структуры тени черной дыры при построении её изображений.

Источник: arXiv