Черные дыры могут быть квантовыми звездами

Когда гигантские звезды умирают, они не просто исчезают. Они разрушаются, оставляя после себя сжатый звездный остаток, обычно размером с мегаполис, который представляет собой сверхплотный шар нейтронов, называемый нейтронной звездой. 
  
Большинство теоретиков полагают, что в исключительных случаях гигантская умирающая звезда образует черную дыру — точечную «сингулярность» с фактически бесконечной плотностью и гравитационным полем, настолько мощным, что нет даже света, самой быстрой вещи во Вселенной.

Новое исследование предлагает альтернативную идею, что на полпути между нейтронными звездами и черными дырами могут существовать такие гипотетические объекты, как черные звезды или гравастары. Если это так, то экзотические звездные трупы должны быть почти идентичны черным дырам, за исключением одного ключевого обстоятельства — они не поглощают безвозвратно свет.

Есть веские причины искать такие альтернативы, потому что черные дыры поднимают множество теоретических проблем. Например, их сингулярности якобы скрыты невидимыми границами, известными как горизонты событий. Бросьте что-то в черную дыру, и как только оно пройдет горизонт событий, то навсегда исчезнет. Но есть законы физики, которые предполагают, что информация не может быть уничтожена, в том числе информация, закодированная внутри всего, что попадает в черные дыры.

Разработанные за последние два десятилетия модели черных звезд и гравастаров предполагают, что эти объекты не будут иметь сингулярностей и горизонтов событий. Но до сих пор неясно, могут ли такие объекты действительно образоваться и оставаться стабильными.

Новые исследования теоретического физика Рауля Карбалло-Рубио из Международной школы передовых исследований в Италии предлагают механизм, допускающий существование черных звезд и гравастаров.

Ученый исследовал необычное явление, известное как квантовая поляризация вакуума. Квантовая физика, дающая лучшее описание того, как ведут себя все известные субатомные частицы, предполагает, что реальность неопределенна, ограничивая то, насколько точно можно знать свойства самых базовых единиц материи — например, никогда нельзя абсолютно точно знать положение и импульс частицы в одно и то же время. Одно странное последствие этой неопределенности состоит в том, что вакуум никогда не бывает полностью пустым, а имеет так называемые «виртуальные частицы», которые непрерывно колеблются, входя и выходя из существования.

При наличии гигантского количества энергии, высвобожденной при взрыве огромной звезды, эти виртуальные частицы могут поляризоваться или упорядочиваться в зависимости от их свойств, так же как магниты имеют северные и южные полюса. Карбалло-Рубио вычислил, что поляризация этих частиц может создавать удивительный эффект внутри мощных гравитационных полей умирающих гигантских звезд — поле, которое отталкивает, а не притягивает.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, материальное и энергетическое искривление пространства-времени приводит к образованию гравитационных полей. Планеты и звезды имеют положительное количество энергии, а полученные гравитационные поля являются притягивающими по своей природе.

«Однако, когда виртуальные частицы поляризуются, вакуум, который они занимают, может в среднем обладать отрицательной энергией, и они искривляют пространство-время таким образом, что связанное с ними гравитационное поле становится отталкивающим», — говорит Карбалло-Рубио.

Это, конечно, могло бы помешать образованию черной дыры. Подобное явление заставляет относительно легкие звездные остатки образовывать нейтронные звезды вместо черных дыр. Их гравитационные поля недостаточно сильны, чтобы разрушить нейтроны в сингулярности.

Две предыдущие модели предполагали, что отталкивающая гравитация может привести к разрушению звездных остатков с образованием черных дыр. Один из смоделированных звездных остатков вместо них образовал гравастары — объекты, заполненные квантовым вакуумом, покрытым тонкой оболочкой материи. Другая модель предполагала, что результатом этих коллапсов были черные звезды, где материя и квантовый вакуум чередуются по всей структуре в тщательном балансе. Оба объекта все еще имеют мощные гравитационные поля, которые глубоко деформируют свет, поэтому они выглядят темными, как черные дыры.

По словам Карбалло-Рубио, ранее существовала большая неопределенность в отношении свойств черных звезд и гравастаров. В новой работе он создал математическую структуру, которая включает эффекты отталкивающей силы тяжести в уравнения, описывающие расширение и сокращение звезд. Прежде считалось, что это можно трактовать только с помощью компьютеров. Его новая модель предполагает существование гибрида черной звезды и гравастара — объекта, где материя и квантовый вакуум распространяются по всей структуре, но с веществом в более высоких концентрациях в оболочке, чем в ядре.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.