В недавнем исследовании приводятся новые доказательства в пользу гипотезы о том, что черные дыры являются «гравастарами», радикально отличающимися друг от друга объектами. Это гипотетический тип звезды, полностью состоящий из темной энергии — той самой энергии, которая движет расширением Вселенной. По мнению исследователей, это может устранить физические несоответствия, связанные с существованием сингулярности в центре черных дыр.
Черные дыры — одни из самых экстремальных и загадочных объектов во Вселенной. Впервые они были теоретизированы в 1915 году немецким физиком и астрономом Карлом Шварцшильдом (на основе общей теории относительности Эйнштейна), их гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может вырваться наружу.
Однако, несмотря на то, что многочисленные наблюдения подтвердили большинство теоретических характеристик черных дыр, остаются некоторые пробелы, которые ставят под сомнение их истинную природу. Согласно современным теориям, в центре черной дыры находится точка с бесконечно высокой плотностью, называемая сингулярностью. Это, в частности, является следствием их гравитационного коллапса на уровне сверхплотной и компактной точки. С другой стороны, существование горизонта событий и связанная с ним потеря информации свидетельствуют об утрате предсказуемости гравитационного коллапса.
Однако с физической точки зрения бесконечность и непредсказуемость технически не существуют, что говорит о несоответствии традиционных теоретических моделей черных дыр. Это заставило исследователей искать альтернативные модели, которые одновременно соответствуют предыдущим и пытаются заполнить их пробелы. «Эти проблемы указывают на то, что в модели черных дыр что-то не так или неполно, и что необходимо разрабатывать альтернативные модели«, — говорит Жуан Луис Роза, профессор физики Гданьского университета в Польше и ведущий автор нового исследования.
Среди предложенных альтернативных моделей — гравастары (сокращение от «гравитационная вакуумная звезда»), одна из групп моделей объектов, известных как экзотические компактные объекты (ЭКО). Они отвечают ряду физических критериев, таких как стабильность и отсутствие экзотической материи (т.е. с соответствующими энергетическими условиями), и в то же время обладают свойствами, лишь незначительно отличающимися от обычных черных дыр.
Впервые предложенные в 2001 году гравастары — это гипотетические объекты, более или менее похожие на звезды и состоящие из темной энергии, которая, как считается, отвечает, в частности, за расширение Вселенной. Их интерпретируют как пузыри, содержащие вакуум и покрытые оболочкой из чрезвычайно плотной материи. Их главное преимущество заключается в том, что в них нет сингулярностей.
В своем исследовании, недавно опубликованном в журнале Physical Review D, Роза и ее коллеги изучают эту гипотезу, анализируя новые данные наблюдений. Их результаты показывают поразительное сходство между потоками материи, наблюдаемыми в черных дырах, и потоками, предполагаемыми для гравастаров.
Поразительное сходство с новой теоретической моделью
Гравистары входят в широкий спектр предполагаемых ЭКО, охватывающих сверхкомпактные объекты, состоящие из одной или нескольких релятивистских жидкостей. Как и черные дыры, они считаются финальной стадией эволюции массивных звезд, когда у них заканчивается топливо и они в конце концов коллапсируют сами на себя, образуя чрезвычайно плотные объекты. Однако, в отличие от черных дыр, они не имеют сингулярностей, поскольку их стабильность поддерживается темной энергией, которую они содержат.
Отсутствие сингулярности позволяет гравитационному коллапсу гравастаров прекратить эволюцию после определенного порога. Другими словами, они демонстрируют фазовый переход на горизонте событий (или вблизи него). На этом пределе гравитация настолько сильна, что материя превращается в конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние материи, состоящее из одинаковых бозонов (субатомных частиц с целочисленным спином). Затем этот конденсат образует почти неразрушимую сферу, окружающую вакуум или темную энергию гравастара.
Чтобы выяснить, соответствуют ли эти характеристики наблюдательным данным о черных дырах, ученые в новом исследовании проанализировали взаимодействие частиц и излучения на уровне их аккреционного диска. Они также изучили свойства горячих точек — гигантских пузырей газа, окружающих черные дыры и вращающихся вокруг них со скоростями, близкими к скорости света.
Интегрированные по времени потоки орбитального движения горячих точек для черной дыры Шварцшильда и моделей GS1 — GS5 для наклона наблюдения 𝜃=20° (первые две строки) и 𝜃=80° (нижние две строки), при 𝛼=1 и 𝑟𝑜=8𝑀. Сверхкомпактные конфигурации GS1 — GS3 демонстрируют качественные различия в интегрированных потоках по сравнению с неультракомпактными конфигурациями GS4 и GS5.
Исследователи обнаружили, что гравастары удивительным образом согласуются с данными наблюдений. Мало того, что смещение материи аналогично, черные дыры также отбрасывают видимую тень, сравнимую с той, что теоретически существует у гравастаров. «Эта тень вызвана не захватом света горизонтом событий, а несколько иным явлением, называемым «гравитационным красным смещением», в результате которого свет теряет энергию при прохождении через область с сильным гравитационным полем«, — объясняет Роза. Когда свет, излучаемый этими объектами, достигает наших телескопов, большая часть его энергии теряется из-за гравитационного поля, что приводит к появлению тени.
Однако важно отметить, что эти результаты все еще нуждаются в подтверждении экспериментами и дополнительными наблюдениями, которые, по мнению экспертов, могут быть проведены в ближайшем будущем. «Чтобы проверить наши результаты экспериментально, мы рассчитываем на следующее поколение наблюдательных экспериментов в области гравитационной физики«, — говорит Роза, имея в виду предстоящие наблюдения телескопа Event Horizon и инструмента GRAVITY+, который будет добавлен к Очень большому телескопу в Чили, — направленные на черные дыры в центре галактик, включая нашу собственную.
