Чёрные дыры считаются одними из самых загадочных объектов во Вселенной. Их существование подтверждено многочисленными наблюдениями: астрономы регистрируют движение звёзд вокруг невидимых массивных объектов, фиксируют гравитационные волны от их слияний и даже получают изображения их окрестностей с помощью глобальной сети радиотелескопов. Однако, несмотря на все успехи наблюдательной астрономии, внутреннее устройство чёрных дыр остаётся одной из крупнейших нерешённых проблем современной физики.
Главная причина заключается в том, что согласно общей теории относительности в центре чёрной дыры должна существовать сингулярность — область, где плотность вещества становится бесконечной, а известные законы физики перестают работать. Большинство физиков считает, что подобный результат говорит скорее о неполноте существующих теорий, чем о существовании настоящих бесконечностей в природе.
Именно поэтому исследователи продолжают искать модели, которые могли бы объяснить поведение сверхкомпактных объектов без появления сингулярности. Одной из самых необычных таких моделей являются гравистары — гипотетические объекты, которые внешне почти неотличимы от чёрных дыр, но внутри устроены совершенно иначе.
Почему сингулярность вызывает столько вопросов
Общая теория относительности чрезвычайно успешно описывает движение планет, звёзд, галактик и даже расширение Вселенной. Однако при применении её к экстремально плотным объектам появляются математические решения, в которых некоторые физические величины становятся бесконечными.
Для физиков это серьёзная проблема.
Бесконечная плотность означает, что теория выходит за пределы своей применимости. Аналогичные ситуации уже возникали в истории науки. Каждый раз они приводили к созданию более полной физической модели.
Именно поэтому многие исследователи предполагают, что в реальной природе сингулярностей не существует, а их место занимает неизвестное пока состояние материи или пространства-времени.
Что такое гравистар
Название «гравистар» происходит от английского выражения Gravitational Vacuum Star — «гравитационная вакуумная звезда».
Концепция была предложена ещё в начале XXI века как возможная альтернатива классической чёрной дыре.
Согласно этой гипотезе, при коллапсе очень массивной звезды вместо образования сингулярности возникает совершенно иная структура.
Внешне такой объект практически полностью повторяет свойства чёрной дыры:
- обладает огромной массой;
- создаёт чрезвычайно сильное гравитационное поле;
- способен искривлять пространство-время;
- воздействует на окружающее вещество почти так же, как обычная чёрная дыра.
Однако внутреннее устройство оказывается принципиально другим.
Что находится внутри гравистара
Вместо бесконечно плотной точки предполагается существование области, заполненной особым состоянием вакуума.
Современная физика рассматривает вакуум не как абсолютную пустоту, а как среду, обладающую собственной энергией.
Именно эта энергия может создавать сильное отрицательное давление.
По расчётам некоторых моделей именно такое давление способно остановить дальнейшее сжатие вещества до появления сингулярности.
Между внешней оболочкой и внутренней областью располагается чрезвычайно тонкий слой сверхплотной материи, который удерживает всю конструкцию в равновесии.
Новая идея: внутри может существовать собственная расширяющаяся Вселенная
Авторы новой теоретической работы предложили ещё более необычную интерпретацию.
Согласно их расчётам, внутренняя область гравистара может не быть статичной.
Вместо этого внутри объекта может происходить процесс, напоминающий ранние этапы развития нашей собственной Вселенной.
Иначе говоря, внутреннее пространство может расширяться подобно тому, как расширялась Вселенная после Большого взрыва.
При этом внешнему наблюдателю объект продолжает выглядеть практически как обычная чёрная дыра.
Такое расширение полностью скрыто за мощным гравитационным полем и никак не проявляется напрямую.
Почему это сравнивают с Большим взрывом
Важно понимать, что речь не идёт о втором Большом взрыве в привычном смысле.
Исследователи используют это сравнение потому, что математические свойства внутренней области оказываются похожими на процессы, описывающие раннее расширение Вселенной.
Внутреннее пространство может обладать собственной геометрией, временем и динамикой.
С точки зрения наблюдателя внутри такого пространства оно может напоминать самостоятельную расширяющуюся космологическую область.
Это одна из наиболее необычных идей современной теоретической космологии.
Почему подобные модели вообще рассматриваются
Может возникнуть вопрос: зачем придумывать столь сложные конструкции, если существование чёрных дыр уже подтверждено?
Ответ заключается в том, что астрономические наблюдения показывают только внешние свойства объектов.
Учёные могут измерить:
- массу;
- вращение;
- влияние на окружающее вещество;
- форму гравитационного поля;
- характеристики аккреционного диска;
- параметры гравитационных волн.
Однако увидеть внутреннее устройство объекта невозможно.
Поэтому несколько различных физических моделей могут одинаково хорошо объяснять имеющиеся наблюдения.
Можно ли отличить гравистар от чёрной дыры
Это один из самых важных вопросов.
Если гравистар полностью повторяет все наблюдаемые свойства чёрной дыры, проверить гипотезу практически невозможно.
Именно поэтому исследователи пытаются найти даже самые небольшие различия.
Наиболее перспективными направлениями считаются:
- анализ гравитационных волн после столкновения сверхкомпактных объектов;
- изучение поведения вещества непосредственно возле границы объекта;
- поиск особенностей в колебаниях пространства-времени;
- исследование сверхточной структуры теней, наблюдаемых радиотелескопами.
Даже небольшие отклонения от предсказаний общей теории относительности могли бы стать указанием на существование альтернативной модели.
Какую роль играет квантовая физика
Создание модели внутреннего устройства чёрной дыры невозможно без объединения двух крупнейших физических теорий.
Общая теория относительности прекрасно описывает гравитацию.
Квантовая механика успешно объясняет устройство микромира.
Однако совместить их в единую теорию пока не удалось.
Именно на границе этих двух направлений возникают такие модели, как гравистары, квантовые звёзды, планковские звёзды и другие альтернативы классическим чёрным дырам.
Все они пытаются решить одну и ту же проблему — избавиться от сингулярности, сохранив при этом наблюдаемые свойства сверхкомпактных объектов.
Что означает существование внутренней Вселенной
Если подобная модель когда-либо подтвердится, последствия окажутся чрезвычайно глубокими.
Это будет означать, что образование сверхмассивных компактных объектов может сопровождаться возникновением совершенно новых областей пространства-времени.
Некоторые космологические гипотезы даже допускают, что наша собственная Вселенная могла возникнуть похожим образом внутри объекта, существовавшего в другой Вселенной.
Однако авторы исследования подчёркивают, что подобные идеи пока остаются чисто теоретическими и не имеют экспериментального подтверждения.
Что мешает проверить гипотезу
Главная проблема заключается в невозможности заглянуть внутрь столь компактных объектов.
Даже свет не может передать информацию из области, расположенной за горизонтом событий классической чёрной дыры.
Поэтому физикам приходится искать косвенные признаки.
Развитие детекторов гравитационных волн, более чувствительных радиотелескопов и новых методов анализа космических наблюдений постепенно увеличивает вероятность обнаружения подобных отличий.
Однако пока ни одно наблюдение не позволило однозначно подтвердить существование гравистаров.
Теоретические модели помогают понять пределы современной физики
Исследование гравистаров не означает, что существование чёрных дыр поставлено под сомнение. Напротив, накопленные астрономические данные убедительно подтверждают наличие во Вселенной сверхкомпактных объектов с чрезвычайно сильной гравитацией. Дискуссия касается не их существования, а того, что именно находится внутри этих объектов.
Новая работа предлагает ещё один вариант решения проблемы сингулярности, предполагая, что за внешними признаками, характерными для чёрной дыры, может скрываться совершенно иная структура, где происходят процессы, напоминающие раннее расширение Вселенной. Пока эта идея остаётся гипотезой, однако подобные исследования играют важную роль в развитии фундаментальной физики. Они позволяют проверять границы существующих теорий и искать пути объединения общей теории относительности и квантовой механики — двух основных столпов современной науки, которые до сих пор не удалось соединить в единую картину устройства Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
