Чёрные дыры остаются одними из самых загадочных объектов современной астрофизики. Астрономы уже научились обнаруживать их по движению окружающих звёзд и газа, по излучению аккреционных дисков, гравитационному линзированию и гравитационным волнам. Получены даже изображения их окрестностей, включая сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик M87 и Млечного Пути.
Но наблюдать непосредственно то, что находится за горизонтом событий, невозможно. Именно поэтому вопрос о внутреннем устройстве чёрных дыр остаётся тесно связан с фундаментальными проблемами физики.
В классической общей теории относительности стандартное описание приводит к сингулярности — области, где плотность и кривизна пространства-времени в математической модели становятся чрезвычайно большими, а применимость известных физических теорий оказывается под вопросом. Однако существуют и другие теоретические конструкции.
Новое исследование рассматривает необычный вариант: может ли внутри горизонта событий находиться не сингулярность, а вполне определённый компактный объект — нейтронная звезда? Расчёты показывают, что математически такая конфигурация возможна при определённых свойствах окружающей тёмной материи. При этом речь не идёт об обнаружении реального космического объекта. Необходимые условия существенно отличаются от тех, которые астрономы ожидают встретить во Вселенной.
Что находится внутри чёрной дыры
Обычный ответ на этот вопрос — сингулярность.
Однако такое утверждение требует важной оговорки. Сингулярность является результатом классического математического описания, а не непосредственно наблюдаемым объектом.
После пересечения горизонта событий все возможные пути, которыми может двигаться падающее вещество, направлены внутрь. Вернуться наружу или передать информацию внешнему наблюдателю уже невозможно.
Именно поэтому внутреннюю область чёрной дыры нельзя исследовать обычными астрономическими наблюдениями. Учёные могут наблюдать последствия существования горизонта и изучать поведение материи снаружи, но не могут напрямую увидеть внутреннюю структуру.
Кроме того, общая теория относительности не является полной теорией квантовой гравитации. Поэтому условия в самом центре чёрной дыры находятся за пределами области, где современные физические теории дают однозначное описание.
Это оставляет пространство для теоретических моделей, в которых центральная сингулярность отсутствует.
Что такое «регулярная» чёрная дыра
Одна из таких идей связана с так называемыми регулярными чёрными дырами.
В стандартной модели сингулярность появляется в центре. В регулярных моделях предполагается, что распределение вещества или энергии и геометрия пространства-времени устроены иначе, благодаря чему математическое описание остаётся конечным и не содержит центральной сингулярности.
Для построения подобных моделей необходимы необычные условия.
В рассматриваемом исследовании ключевую роль играет тёмная материя с определёнными свойствами давления и плотности. Такая конфигурация может создавать гравитационное поле, при котором возникает горизонт событий, но внутри него не обязательно находится сингулярность.
Это принципиально меняет вопрос о том, что может находиться за горизонтом.
Учёные рассмотрели нейтронную звезду
Исследователи Чэнь Тан и Юн-Цян Ван из Ланьчжоуского университета рассмотрели следующий сценарий: обычная нейтронная звезда оказывается в центре окружения из экзотической тёмной материи.
Нейтронная звезда — это чрезвычайно плотный остаток массивной звезды.
Она образуется после гравитационного коллапса ядра звезды, когда вещество оказывается сжато до экстремальной плотности. Основную часть нейтронной звезды составляют нейтроны, хотя в её составе могут присутствовать и другие частицы.
Размер нейтронной звезды чрезвычайно мал по астрономическим меркам. В рассматриваемой модели её радиус составляет около 8,5 километра.
При этом масса такого объекта может быть сравнима с массой обычной звезды.
Таким образом, нейтронная звезда представляет собой один из наиболее компактных известных типов астрофизических объектов.
Что происходит при добавлении тёмной материи
Расчёты показали, что результат зависит от плотности окружающего тёмного вещества.
При относительно небольшой плотности получается система, напоминающая нейтронную звезду, окружённую облаком тёмной материи. Сам объект при этом может немного изменяться под воздействием окружающего распределения массы.
Если плотность тёмной материи становится слишком высокой, система перестаёт иметь устойчивое решение в рамках рассматриваемой модели и должна коллапсировать.
Но между этими режимами существует интересная область параметров.
Именно здесь расчёты допускают существование объекта, в котором нейтронная звезда оказывается внутри горизонта событий.
Горизонт событий может окружать звезду
Это наиболее необычная часть предложенной конфигурации.
В обычной картине чёрной дыры горизонт событий окружает область, из которой ничто не может выбраться. Центральный объект в классическом описании оказывается связан с сингулярностью.
В рассматриваемой модели ситуация другая.
Нейтронная звезда сохраняет собственную структуру и находится внутри области, окружённой горизонтом событий.
В одном из рассчитанных вариантов поверхность нейтронной звезды находится примерно на расстоянии 8,5 километра от центра, а горизонт событий начинается примерно на отметке 10 километров и простирается в определённой области вокруг звезды.
Иными словами, горизонт возникает не потому, что сама нейтронная звезда полностью превратилась в сингулярность. Он связан с общей геометрией пространства-времени, создаваемой системой из нейтронной звезды и окружающего распределения тёмной материи.
Ничто внутри этой модели не превращается в сингулярность
Это принципиально отличает предложенную конструкцию от стандартного сценария.
Нейтронная звезда в такой модели остаётся компактным, но конечным объектом. В центре нет области, где математические величины становятся бесконечными.
По сути, исследователи получили теоретическую систему, которая с внешней точки зрения может обладать свойством чёрной дыры — наличием горизонта событий, — но при этом её внутренняя структура принципиально отличается от классической сингулярной картины.
Именно поэтому подобные модели представляют интерес для фундаментальной физики.
Они позволяют исследовать вопрос о том, обязательно ли наличие сингулярности связано с существованием горизонта событий.
Почему здесь необходима тёмная материя
Без тёмной материи предложенная конфигурация не возникает.
Именно дополнительное распределение массы вокруг нейтронной звезды создаёт условия, при которых пространство-время может приобрести необходимую геометрию.
В расчётах масса тёмной материи в определённых конфигурациях оказывается сравнимой с массой самой нейтронной звезды.
Это важное ограничение модели.
Тёмная материя действительно считается одной из основных составляющих Вселенной. Её гравитационное влияние наблюдается по движению галактик, скоплений галактик и по эффектам гравитационного линзирования.
Однако природа тёмной материи до сих пор не установлена.
Учёные знают о её гравитационном воздействии, но не знают, из каких частиц она состоит.
Но плотность тёмной материи здесь слишком велика
Именно здесь находится главный практический недостаток предложенного сценария.
Плотность тёмной материи, необходимая для существования рассматриваемой конфигурации, значительно превышает значения, которые астрономы ожидают увидеть в реальных космических условиях.
Поэтому исследование не утверждает, что внутри какой-либо известной чёрной дыры действительно находится нейтронная звезда.
Это математическая модель, показывающая, что такая конфигурация не обязательно запрещена самими уравнениями.
Разница между «математически допустимо» и «существует во Вселенной» здесь принципиальна.
Почему это не обычная чёрная дыра с нейтронной звездой внутри
Можно предположить, что речь идёт просто о нейтронной звезде, которую каким-то образом окружила чёрная дыра.
Но предложенная модель устроена иначе.
В ней чёрная дыра не возникает независимо, а сама конфигурация пространства-времени формируется благодаря совокупному гравитационному воздействию нейтронной звезды и тёмной материи.
При этом горизонт событий появляется вокруг звезды, хотя сама нейтронная звезда сохраняет конечный размер.
Поэтому корректнее говорить о необычной теоретической конфигурации, а не о двух обычных объектах, случайно оказавшихся один внутри другого.
Что такое нейтронная звезда и почему она может оставаться устойчивой
Чтобы понять необычность модели, важно учитывать свойства нейтронных звёзд.
Когда массивная звезда исчерпывает возможности поддерживать своё ядро за счёт термоядерных процессов, её ядро может быстро сжаться. При определённых условиях происходит взрыв сверхновой, а центральная область превращается в сверхплотный компактный остаток.
В нейтронной звезде гравитация настолько сильна, что вещество находится в состоянии, невозможном для обычных условий на Земле.
При этом нейтронная звезда не является чёрной дырой.
У неё есть поверхность, а свет и частицы при определённых условиях могут покидать её окрестности. Чёрная дыра отличается наличием горизонта событий.
В предложенной модели эта граница появляется вокруг нейтронной звезды из-за всей конфигурации пространства-времени.
Исследователи проверили модель на разных описаниях вещества
Дополнительный интерес представляет то, что авторы использовали два различных описания вещества нейтронной звезды.
Результат с существованием подобной конфигурации сохранялся в обоих случаях.
Это важно, поскольку свойства вещества внутри нейтронных звёзд сами по себе остаются предметом исследований.
При таких плотностях невозможно провести прямой эксперимент с веществом в лаборатории. Поэтому физики используют различные модели поведения сверхплотного вещества.
Если определённый результат сохраняется при разных предположениях о свойствах нейтронной материи, это снижает вероятность того, что он является исключительно следствием одного конкретного выбора модели.
Однако это всё равно не превращает результат в наблюдательный факт.
Самая важная оговорка касается реальной Вселенной
Авторы исследования не утверждают, что нашли механизм образования подобных объектов во Вселенной.
Главная проблема заключается в тёмной материи.
Необходимые плотности настолько высоки, что современные представления об обычных распределениях тёмной материи не дают оснований ожидать появления таких систем.
Поэтому рассматриваемый объект пока следует воспринимать прежде всего как теоретическую возможность.
Его ценность заключается в другом: он показывает, что математическое описание чёрной дыры может быть более разнообразным, чем традиционная картина с обязательной сингулярностью в центре.
Может ли существовать чёрная дыра без сингулярности
Идея регулярных чёрных дыр не является новой.
Физики уже много лет исследуют модели, в которых центральная сингулярность заменяется областью с конечными физическими параметрами.
Такие конструкции интересны потому, что сингулярность обычно рассматривается как признак того, что используемая теория перестаёт давать физически осмысленный ответ.
Если удастся построить реалистичную модель чёрной дыры без сингулярности, это может помочь понять, каким образом гравитация должна описываться в экстремальных условиях.
Однако пока не существует общепринятой теории, которая окончательно описывала бы внутреннюю область чёрной дыры.
Почему общая теория относительности здесь сталкивается с проблемой
Общая теория относительности очень хорошо описывает гравитационные явления в огромном диапазоне условий.
Она успешно объясняет движение планет, поведение звёзд, гравитационные линзы и распространение гравитационных волн.
Но вблизи сингулярностей классическое описание приводит к математическим трудностям.
Это не означает, что общая теория относительности «неправильна».
Скорее, она показывает границу применимости классического описания и указывает на необходимость более фундаментальной теории, объединяющей гравитацию с квантовой физикой.
Поэтому любые математически непротиворечивые модели, в которых сингулярность удаётся избежать, представляют интерес для теоретической физики.
Можно ли обнаружить такой объект?
На данный момент способов подтвердить существование именно такой системы не предложено.
Это связано с фундаментальным свойством горизонта событий: наблюдатель снаружи не может получить обычным способом информацию о том, что происходит за ним.
Поэтому обнаруживать подобный объект пришлось бы по его внешнему гравитационному воздействию или другим наблюдаемым характеристикам.
Но здесь возникает ещё одна проблема.
Снаружи объект может выглядеть очень похоже на другие компактные гравитирующие системы.
Чтобы отличить такую конфигурацию от обычной чёрной дыры, необходимо найти наблюдаемый эффект, который зависел бы именно от её необычной внутренней структуры.
Пока такого подтверждённого эффекта нет.
Это не означает, что астрономы нашли «звезду внутри чёрной дыры»
Подобные формулировки легко могут привести к неправильному пониманию результата.
Речь идёт не о наблюдении такого объекта и не об обнаружении звезды, скрытой за горизонтом событий.
Исследование представляет математическую конструкцию, которая допускается при определённых свойствах тёмной материи.
Более того, необходимые условия существенно экстремальнее тех, которые ожидаются для реальных космических объектов.
Поэтому корректный вывод значительно осторожнее: существование горизонта событий не обязательно означает, что внутри него должна находиться сингулярность, по крайней мере в некоторых теоретических моделях.
Что это говорит о природе чёрных дыр
Чёрная дыра снаружи определяется прежде всего своими наблюдаемыми параметрами — массой, вращением и электрическим зарядом.
Это связано с тем, что многие детали внутренней структуры не проявляются непосредственно для внешнего наблюдателя.
Именно поэтому возможное разнообразие внутренних конфигураций представляет фундаментальный интерес.
Если разные физические системы способны создавать одинаковую внешнюю структуру пространства-времени, возникает вопрос о том, какие свойства действительно можно считать характерными для чёрной дыры.
Предложенная модель показывает один из возможных вариантов ответа.
Тёмная материя снова оказывается в центре фундаментальной проблемы
Интересно, что исследование одновременно затрагивает две крупнейшие нерешённые задачи современной физики.
Первая — природа чёрных дыр и их внутреннего устройства.
Вторая — природа тёмной материи.
Тёмная материя в стандартной космологической картине необходима для объяснения множества наблюдений, но её микроскопическая природа неизвестна.
В рассматриваемой модели она выступает не просто как дополнительная масса, а как вещество с определёнными свойствами давления и плотности.
Если когда-нибудь будет обнаружена физически реалистичная форма тёмной материи, способная создавать подобные конфигурации, это откроет совершенно новое направление исследований.
Но на сегодняшний день для такого вывода нет наблюдательных оснований.
Почему подобные математические модели всё равно важны
В астрофизике теоретическая модель не обязана сразу описывать реально существующий объект.
Иногда расчёты сначала показывают, что определённая конфигурация вообще возможна. Затем исследователи выясняют, какие физические условия для неё нужны, какие наблюдаемые последствия она должна иметь и можно ли найти такие условия во Вселенной.
Если последующие исследования показывают, что необходимые параметры недостижимы, модель может остаться чисто теоретической.
Но даже в этом случае она позволяет лучше определить границы физических теорий.
Именно такую роль сейчас играет сценарий с нейтронной звездой внутри регулярной чёрной дыры.
Загадка чёрных дыр остаётся открытой
Астрономы уже располагают убедительными свидетельствами существования чёрных дыр и научились исследовать их окрестности с беспрецедентной точностью.
Но горизонт событий остаётся границей, за которой непосредственные наблюдения невозможны.
Поэтому вопрос о том, что находится внутри, по-прежнему относится к числу наиболее фундаментальных проблем астрофизики.
Новая математическая модель показывает необычный, но строго ограниченный вариант: при наличии достаточно плотного и обладающего определёнными свойствами распределения тёмной материи горизонт событий может окружать нейтронную звезду, которая при этом сохраняет конечную структуру и не превращается в центральную сингулярность.
Однако необходимые плотности тёмной материи намного выше ожидаемых в реальной Вселенной. Поэтому говорить об обнаружении нового типа космического объекта пока преждевременно.
Главная ценность результата заключается в другом. Он демонстрирует, что привычная картина «чёрная дыра — горизонт событий — сингулярность в центре» не является единственным математически возможным описанием в рамках расширенных моделей. Чтобы понять, какая картина соответствует реальной природе чёрных дыр, необходимы дальнейшее развитие теории гравитации, более точные модели сверхплотного вещества и, прежде всего, наблюдения, способные выявить отличия между различными сценариями.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
