Новая вселенная внутри звезды: почему Эйнштейн мог ошибаться насчет черных дыр

Физики из Университета Гете во Франкфурте представили уникальные расчеты. Новые формулы ставят под сомнение неизбежность образования черных дыр при гибели массивных звезд. Оказывается, у коллапса может быть совсем другой финал. Это значит, что великий Эйнштейн мог ошибаться, а у сжавшейся материи может быть новая, совсем иная жизнь.


Так что же именно происходит в недрах светила, когда термоядерное топливо заканчивается? И почему эта гипотеза уже два десятилетия будоражит умы астрофизиков и прочих ученых?

В тупике сингулярности

Традиционный взгляд науки на звезд кажется незыблемым. Светило миллионы лет удерживает равновесие: давление излучения, рождающегося в ядерных реакциях, противостоит силе гравитационного сжатия. Но когда водород и гелий выгорают, внешнее давление падает, и гравитация перехватывает инициативу. Начинается необратимое падение вещества к центру, т.е. коллапс. Именно этот момент в учебниках описывают как рождение черной дыры: объект становится настолько плотным, что даже фотоны не могут покинуть его пределы.



Однако физиков давно смущает финальная точка этого сценария. Уравнения общей теории относительности предсказывают, что масса, сравнимая с миллиардами Солнц, схлопывается в точку с нулевым объемом — сингулярность. Плотность там становится бесконечной, пространство и время теряют смысл, а все привычные законы физики перестают действовать.

Поэтому совершенно неудивительно, что для ученых сингулярность — это даже не математический курьез, а крайне раздражающий красный флаг. Еще бы, ведь теория относительности сама указывает на свою неполноту в экстремальных условиях.

К тому же черная дыра окружена горизонтом событий – мнимой сферой, откуда ничто не может вернуться. Эта граница наглухо изолирует внутреннюю область от внешней Вселенной. Любое экспериментальное подтверждение или опровержение теории о том, что творится за горизонтом, становится принципиально невозможным. Черная дыра остается черным ящиком в самом буквальном смысле, и это тупиковое положение заставляет искать альтернативные объяснения финальной стадии звездной эволюции.

Рождение компактной вселенной

Идея обойти сингулярность родилась не вчера. Еще в начале 2000‑х годов американские физики Павел Мазур и Эрик Поиссон предложили термин «гравастар» – сокращение от gravitational vacuum star. Они математически смоделировали объект, который внешне ничем не отличается от черной дыры: та же масса, та же гравитация, тот же размер.



Но внутри вместо сингулярности у него находится полость, заполненная вакуумом с отрицательным давлением. Внешняя оболочка состоит из обычной, хоть и сильно сжатой материи, а внутреннее давление не дает веществу схлопнуться в точку.

Однако модель Мазура и Поиссона была статической. Она отвечала на вопрос «как устроен гравастар», но оставляла открытым главный вопрос: «как он может образоваться из живой звезды?». Без динамического механизма рождения гравастары оставались чисто математической абстракцией: красивой, но оторванной от астрофизической реальности.

Именно эту брешь и закрыли Даниэль Джампольски и Лучано Реццолла из Университета Гете. Они нашли первое динамическое решение уравнений Эйнштейна, описывающее трансформацию коллапсирующей звезды в гравастар.

Согласно их расчетам, на поздней стадии сжатия вещество проходит через фазовый переход. Если проводить аналогию, происходит примерно то же, когда вода превращается в лед при достижении критической температуры. Только в данном случае речь идет о вакууме: материя перестраивается в состояние, которое называют конденсатом Бозе – Эйнштейна, обладающее отрицательным давлением.

Именно это давление, направленное наружу, начинает работать как антигравитация, останавливая дальнейшее схлопывание. Внешняя оболочка фиксируется, а внутри рождается новый мир — компактная вселенная, которая расширяется и своим давлением уравновешивает титаническую силу гравитации.

Как проверить то, чего не видно

Самое уязвимое место любой теории о внутреннем устройстве черных дыр — это отсутствие прямых наблюдений. Горизонт событий надежно скрывает все, что происходит внутри. Но гравастары, хотя и выглядят как черные дыры, могут выдать себя косвенными признаками, и астрофизики уже знают, где искать эти подсказки.

Первый признак — это гравитационные волны. Когда две черные дыры сливаются, детекторы LIGO и Virgo регистрируют характерный сигнал — нарастающую частоту и последующее затухание, так называемый рингдаун. У гравастаров, по расчетам, финальная стадия затухания должна выглядеть иначе, потому что у них нет горизонта событий, а есть экзотическая поверхность, от которой волны отражаются иначе.

Второй признак — это «тень» сверхмассивных компактных объектов. Телескоп Event Horizon Telescope получил знаменитые изображения тени черной дыры в галактике M87 и в центре Млечного Пути. Для гравастара эта тень должна быть чуть меньшего размера или иметь иную яркость по краям, поскольку свет у поверхности без горизонта ведет себя не так, как при падении в абсолютную ловушку.



Авторы нового открытия сохраняют осторожный оптимизм. Лучано Реццолла подчеркивает: черные дыры остаются самым простым и естественным решением, ученые к ним уже привыкли. Однако наука просто обязана исследовать даже самые экзотические варианты, так как история знает немало примеров, когда сегодняшняя «странная гипотеза» завтра становилась общепринятой истиной.

Даниэль Джампольски добавляет, что в момент экстремального сжатия возникают новые физические эффекты. Их невозможно воспроизвести в земных лабораториях, и именно их описание делает теорию гравастаров математически стройной и физически содержательной.