Звезды светятся, потому что в их недрах происходит термоядерный синтез, высвобождающий энергию. Когда очень массивная звезда исчерпывает запасы ядерного топлива, давление излучения уже не может противостоять силе тяжести. Тогда звезда сжимается под действием собственной массы, пока не остается одна точка — сингулярность.
Хотя образование черной дыры кажется вполне вероятным, сами черные дыры по-прежнему представляют серьезную проблему для науки. Как может десять миллиардов солнечных масс сконцентрироваться в одной крошечной точке? Как может пространство-время бесконечно искривляться в этой точке, в сингулярности? На этом этапе законы физики перестают действовать, и предсказать, что произойдет, невозможно. Более того, черные дыры скрывают от наблюдателя всю информацию: все, включая свет, безвозвратно исчезает за горизонтом событий.
Таким образом, возможно, что черные дыры на самом деле представляют собой совершенно другие объекты, например сверхкомпактные звезды, которые невозможно увидеть из-за их сильного гравитационного поля. Поэтому их также называют гравизвездами. Помимо обычной материи, присутствующей в их внешних слоях, они заполнены темной энергией, которая оказывает давление изнутри и стабилизирует их массу, которая в противном случае могла бы коллапсировать. Физикам легче принять существование гравизвезд, чем черных дыр, потому что у них нет ни сингулярности, ни горизонта событий, но при этом они почти такие же массивные и компактные, как черные дыры. Однако оставалось неясным, как на практике могут формироваться такие гравитационные звезды.
Два физика-теоретика, Даниэль Ямпольски и профессор Лучано Резцолла, впервые представили динамическое решение уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, описывающее коллапс звезды, который может привести к образованию гравизвезды. Решение показало, что коллапс может привести к созданию внутри сжимающейся материи мини-вселенной, не сильно отличающейся от той, что возникла в результате Большого взрыва. Как и в нашей Вселенной, ее расширение обусловлено темной энергией. Таким образом, расширение новой Вселенной противодействует гравитационным силам и останавливает коллапс звезды до того, как образуется черная дыра. В ходе этого процесса устанавливается равновесие между расширяющейся мини-вселенной и сжимающейся материей, и именно оно приводит к образованию стабильной гравизвезды. С помощью этого решения, основанного на общей теории относительности, физики из Франкфурта дали первый ответ на вопрос, который ученые обсуждают уже 25 лет: как образуются гравизвезды при коллапсе обычной материи?
Дэниел Ямпольски, который нашел решение в своей магистерской диссертации под руководством Лучано Реццоллы, объясняет: «Большой взрыв зарождающейся Вселенной может произойти, когда звезда схлопнется почти до состояния черной дыры. Неизученное поведение чрезвычайно сжатой материи открывает возможности для новых физических открытий. Легче представить, что Большой взрыв происходит на очень поздней стадии, когда материя уже сжата до предела, что приводит к возникновению новых эффектов».
Реццолла, профессор теоретической астрофизики в Университете имени Гёте, добавляет: «Поиск альтернатив чёрным дырам не должен означать скептического отношения к ним, ведь чёрные дыры по-прежнему представляют собой наиболее естественное и простое объяснение гравитационного коллапса. Однако учёным в целом и физикам-теоретикам в частности важно сохранять непредвзятый подход к тому, чего мы не знаем, и поэтому изучать как общепринятые, так и более экзотические интерпретации. История учит нас, что последнее нередко становится первым».
Статья опубликована в журнале Physical Review D.
[Фото: Daniel Jampolski and Luciano Rezzolla, Goethe University Frankfurt]
