У новій теоретичній роботі астрофізики розглянули дивовижний сценарій: всередині чорної діри може існувати ціла, не зруйнована нейтронна зоря. Ця ідея спирається на особливий тип розподілу темної матерії і показує, що внутрішня будова чорних дір не обов’язково має закінчуватися сингулярністю. Про це розповідає матеріал на Universe Today.
Класичний погляд: сингулярність і кінець фізики
На традиційне запитання «що всередині чорної діри?» підручники відповідають: сингулярність. За горизонтом подій усе стискається до точки з нескінченною густиною, де рівняння дають безглузді значення, а фізика в теперішньому вигляді перестає працювати.
Подібна відповідь радше визнає межі наших теорій, ніж описує реальну структуру простору-часу всередині чорної діри. Тому теоретики шукають альтернативні розв’язки рівнянь гравітації, де сингулярність не виникає.
Регулярні чорні діри і темна матерія
Останніми роками з’явилася ідея так званих «регулярних чорних дір» — об’єктів без сингулярності. Їх отримують у моделях, де навколо центру зосереджена екзотична форма темної матерії, що утворює гало з певним зв’язком між тиском і густиною.
У таких розрахунках метрика простору-часу залишається «здоровою» аж до самого центру, а отже, математичної точки нескінченної густини не виникає. Саме цю ідею використали Чень Тан (Chen Tan) та Юн-Цян Ван (Yong-Qiang Wang) з університету Ланьчжоу.
Нейтронна зоря під горизонтом подій
Дослідники запитали себе: що буде, якщо всередину такого темного гало помістити звичайну нейтронну зорю? Нейтронні зорі — це надщільні об’єкти, які стискають близько півмільйона мас Землі у сферу розміром із велике місто. У прикладі, що розглядають автори, зоря має радіус приблизно 8,5 км.
Вони використали стандартні рівняння будови зір (так звані рівняння Толмана — Оппенгеймера — Волкова) для опису того, як поводиться така зоря, занурена в щільне гало темної матерії.
Розрахунки дають три режими. Якщо густина гало менша за певну межу, отримаємо просто нейтронну зорю, оточену темною матерією, де зоря лише трохи «сплюснута». Якщо густина надто велика, вся конфігурація стає нестабільною й колапсує, стабільного розв’язку немає.
Найцікавіше відбувається в проміжному діапазоні густини. У просторі поруч із поверхнею зорі формується особлива оболонка.
Оболонка-горизонт і «чорна діра» навколо зорі
В одному з розглянутих сценаріїв оболонка простягається приблизно від 10 до 12 км від центру, тоді як поверхня нейтронної зорі залишається на 8,5 км. Усередині цієї оболонки геометрія простору-часу набуває властивостей внутрішньої частини чорної діри.
Інакше кажучи, виникає горизонт подій, який закривається над уже існуючою зорею, а не формується внаслідок повного колапсу її матеріалу. З погляду зовнішнього спостерігача це буде чорна діра, але всередині неї продовжує існувати нормальна, структурована нейтронна зоря без сингулярності.
Гравітація, що створює цей горизонт, походить від сумарної маси зорі та гало. За підрахунками, темна матерія в такій конфігурації дає приблизно стільки ж маси, скільки й сама зоря. Автори моделі перевірили результат для двох різних описів речовини в нейтронних зорях, і в обох випадках отримали подібну картину. Це свідчить, що ефект не залежить критично від однієї конкретної моделі зоряної речовини.
Головне застереження: нереалістична густина темної матерії
Ключова слабка ланка цієї ідеї — необхідні густини темної матерії. Автори прямо зазначають, що вони значно перевищують значення, яких астрономи реально очікують у Всесвіті. Тобто йдеться не про об’єкти, які ми вже бачимо на небі, а про математично коректний «мисленний експеримент».
Ця побудова показує: внутрішня частина чорної діри не обов’язково має бути кінцем фізики. Принаймні існує одна узгоджена з рівняннями гравітації конфігурація, де всередині горизонту подій є «місце» з конкретною структурою — нейтронною зорею.
Попри це, головна проблема чорних дір залишається: безпосередньо дослідити їхню внутрішню будову ми не можемо. Щоби підтвердити або спростувати подібні сценарії, потрібно навчитися вирізняти такі об’єкти за спостережуваними ознаками, а це завдання майбутніх робіт. Можливо, колись астрономи зможуть упізнати серед чорних дір і такі, що приховують у собі зорю.