В поисках гравастаров
В ноябре 2023 года я опубликовал в этом блоге статью «Информационный парадокс чёрных дыр теоретически разрешим на квантовом компьютере», которая получила сравнительно невысокую оценку +18, но собрала интереснейшую дискуссию (60 комментариев). Мне особенно понравился вклад уважаемого Михаила Рашковецкого @MishaRash, который вскоре подписался на мой блог.
Суть моей статьи заключалась в том, что мы не вполне понимаем, как может выглядеть вблизи горизонт событий чёрной дыры. На Хабре также публиковались статьи с рассуждениями о том, каковы механизмы образования хокинговского излучения (перевод, автор оригинала — Сабина Хоссенфельдер) и не является ли чёрная дыра квантовым объектом (@SLY_G, перевод, автор оригинала — Пол Саттер). Тем интереснее, что трактовка чёрной дыры как сверхплотного остатка звезды, сколлапсировавшего под действием гравитации — далеко не единственная. Ниже мы рассмотрим некоторые крайне экзотические гипотезы о природе чёрных дыр, и в особенности остановимся на свойствах гипотетических гравастаров — гравитационных вакуумных звёзд.
Предыстория
Возникновение чёрных дыр прямо следует из общей теории относительности Эйнштейна, сформулированной в 1915 году. Но впервые описал стационарную чёрную дыру не Эйнштейн. Это сделал году немецкий физик Карл Шварцшильд, объяснивший, как пространство-время может искривляться и замыкаться вокруг шарообразного звездоподобного объекта. Именно Шварцшильд (по иронии судьбы, его фамилия в переводе с немецкого означает «чёрный щит») дал математическое решение, в соответствии с которым чем плотнее звезда, тем сложнее становится вырваться из её гравитационного поля, пока внутри непреодолимого гравитационного радиуса не оказываются заперты даже фотоны. Эту сферу невозврата называют «горизонт событий». При приближении к горизонту событий время замедляется, а на горизонте событий — останавливается. В декабре 1915 года он отправил своё решение Эйнштейну, и Эйнштейн высоко оценил непротиворечивость модели Шварцшильда:
«Я с крайним интересом прочёл вашу статью. Не мог ожидать, что точное решение этой задачи можно сформулировать настолько просто. Мне очень понравилась предложенная вами математическая трактовка проблемы. В будущий четверг я выступлю в Академии с презентацией этой работы и дам краткие разъяснения».
Подробная история идей, связанных с описанием чёрных дыр изложена здесь. Тем не менее, спустя более ста лет после того, как была сформулирована метрика Шварцшильда, у нас нет полного понимания, что представляет собой чёрная дыра, а также в какой степени она является классическим объектом (принципиально подобным нейтронной звезде), а в какой степени — квантовым. Название «чёрная дыра» впервые предложил в 1967 году Джон Арчибальд Уилер, а в первой половине XX века существовало общее мнение, что чёрная дыра не может существовать в реальности. В 1935 году английский физик индийского происхождения Субраманьян Чандрасекар описал знаменитый «предел Чандрасекара», то есть, сочетание максимальной массы и минимального радиуса, при которых остаток звезды может существовать в виде белого карлика. Провалившись за предел Чандрасекара, объект может стать чёрной дырой или нейтронной звездой. Тогда авторитетнейший Артур Эддингтон вступил с Чандрасекаром в полемику, заявив, что «должен существовать закон природы, запрещающий столь абсурдное явление, как чёрная дыра».
По многим из вышеизложенных причин в первой половине XX века эти причудливые объекты («чудовища доктора Эйнштейна») сравнивали не с «дырами», а с «замёрзшими звёздами». Действительно, если на радиусе Шварцшильда всякое движение прекращается, то там должна наблюдаться «тепловая смерть в миниатюре»: всякое движение прекращается, поэтому, температура горизонта событий падает практически до абсолютного нуля.
Однако уже в 1930-е чисто термодинамическая трактовка чёрных дыр не согласовывалась с реальностью, поскольку уже бурно развивалась квантовая механика, а микромир элементарных частиц явно работал по неньютоновским законам. Работа на стыке квантовой механики и общей теории относительности не оставляла сомнений, что обе эти дисциплины принципиально важны для понимания самых тяжёлых и сверхплотных звёзд.
Теоретически, нейтронная звезда является конечной стадией развития небольшой звезды, а чёрная дыра остаётся на месте звезды-гиганта, если она не успеет превратиться в сверхновую. Чёрные дыры практически ничего не излучают, поэтому их чрезвычайно сложно зафиксировать в электромагнитном спектре. Однако они должны заметно искажать окружающее пространство-время и, в частности, поляризовать свет.
В трактовке Шварцшильда чёрная дыра является стационарным объектом. Но мы не наблюдаем в видимой части Вселенной никаких стационарных тел — напротив, для звёзд, планет и даже галактик характерно постоянное движение и/или вращение вокруг более крупных тел или общих центров масс. Существует альтернативная концепция вращающихся чёрных дыр, называемых керровскими в честь новозеландского математика Роя Керра (род. 1934).
Керровское вращение чёрной дыры подтверждается тем, как окружающее дыру вещество затягивается в неё по спирали. Само пространство-время вокруг чёрной дыры напоминает воронку. Приближение к горизонту событий сопровождается всё более значительным доплеровским смещением звёздного света. Речь о фиолетовом смещении (наблюдаемая длина световой волны укорачивается), которое продолжается значительно дальше видимого спектра, вплоть до рентгеновского. В 2012 году NASA вывела на орбиту космический телескоп NuSTAR, охватывающий всю короткую часть рентгеновского спектра:
Чёрные дыры и гравитационные волны
В рамках общей теории относительности Эйнштейн предсказал существование не только чёрных дыр, но и гравитационных волн. Согласно теории Эйнштейна, вакуум — это не пустота, а ткань четырёхмерного пространства-времени, и на ней могут прослеживаться всплески и рябь, которые должны возникать при взаимодействии (столкновении) сверхтяжёлых объектов, например, нейтронных звёзд или чёрных дыр. Для поиска гравитационных волн в 1992 году был спроектирован проект LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). LIGO состоит из двух исследовательских комплексов, расположенных в США: Ливингстон (штат Луизиана) и Хэнфорд (штат Вашингтон). LIGO работает с 2002 года, и 11 февраля 2016 года главная цель проекта была достигнута: обсерватория впервые зафиксировала гравитационные волны от столкновения двух чёрных дыр с массами примерно в 30 солнечных каждая. Само это столкновение произошло в октябре 2015 года. Подробный разбор этого события, а также физики гравитационных волн и их возможных источников сделал на Хабре уважаемый @Shkaff в статье «Путеводитель по гравитационным волнам» (перевод статьи с сайта Astrobites). LIGO позволила не только зафиксировать столкновение двух чёрных дыр, но и измерить вращательный момент более крупной чёрной дыры, возникшей в результате столкновения. Это значение составило 70% от рассчитанной Керром предельной величины. Таким образом было окончательно подтверждено вращение чёрных дыр, имеющих околозвёздную массу. Кроме того, осенью 2023 года было подтверждено и вращение сверхмассивных чёрных дыр, располагающихся в центрах спиральных галактик (по наблюдениям космического телескопа Event Horizon, отслеживавшего события в центре галактики M87).
В настоящее время известны следующие решения уравнений Эйнштейна, описывающие стационарные и вращающиеся чёрные дыры:
В современном научном сообществе принято считать, что общая теория относительности даёт полное описание свойств вращающихся (а также стационарных) чёрных дыр. Но пока остаётся невыясненным, как меняются свойства магнитных полей, межзвёздного газа и рентгеновских лучей вблизи от столь мощного источника гравитации. Первый объект, который был сочтён чёрной дырой на месте бывшей звезды, открыли в созвездии Лебедя в 1964 году и назвали «Cyg X-1» («Cygnus» в переводе с латыни означает «лебедь»). Это двойная система, а которую входит чёрная дыра с массой около 14,9 солнечных и голубой сверхгигант. Они обращаются вокруг общего центра масс, и звёздное вещество сверхгиганта постепенно перетекает в чёрную дыру.
Тем не менее, именно в теории относительности многие наблюдения непросто согласовать с теорией. Уже в 1973 году Кип Торн и Игорь Новиков описали, как именно звёздный газ должен стекать в чёрную дыру. Потенциальная гравитационная энергия этого газа должна была бы превращаться в тепло и излучение, температура которого достигает миллионы градусов. То есть, вокруг горизонта событий образуется огненное кольцо и вырываются джеты, чья температура достигает миллионов градусов. Однако, эта картина никак не согласуется с квантовой природой горизонта событий и с исчезновением информации в чёрной дыре (так называемый «информационный парадокс чёрных дыр», о котором я уже упоминал над катом и который подробно разобран здесь). Ниже рассмотрим и другие противоречия, связанные с чёрными дырами, а также нетривиальную модель «гравитационных вакуумных звёзд» (гравастаров), предложенную в начале нынешнего века для потенциального уточнения природы чёрных дыр.
Гравастар как средство от парадоксов
В 2001 году Эмиль Моттола из Национальной лаборатории в Нью-Мексико и Пол Мазур из Университета Штата Южная Каролина сформулировали модель небесного тела, которое выглядело бы для внешнего наблюдателя как чёрная дыра, но не имело бы горизонта событий на внешней границе и сингулярности в центре. Такой объект они назвали «чёрной звездой» или «гравитационной вакуумной звездой», сокращённо — «гравастаром».
Гравастар должен быть настолько же компактным, насколько и чёрная дыра, а тяготение на его поверхности должно быть таким сильным, что мы сочли бы эту поверхность «горизонтом событий». Тем не менее, ни горизонта событий, ни сингулярности в гравастаре нет. Внутренние слои гравастара должны состоять из экзотической материи (эквивалентной тёмной энергии), которая оказывает на внешние слои объекта отрицательное давление, обеспечивающее стабильность гравастара и не позволяющее ему схлопнуться в сингулярность под действием поступающей извне обычной (например, звёздной) материи. При этом гравастар может быть покрыт тончайшей, но цельной корочкой обычной материи.
Крайне сомнительно, могут ли в принципе формироваться такие объекты, а сформировавшись — сохранять стабильность. Сложно объяснить, почему экзотическая материя, обладающая отрицательной энергией, концентрировалась бы в виде гравастаров и не просачивалась за их пределы. В 2018 году Рауль Карбальо-Рубио из Международного института перспективных исследований в итальянском Триесте предложил механизм, который мог бы объяснить существование чёрных звёзд и гравастаров.
Он исследовал феномен квантовой поляризации вакуума, связанный с кипением квантовой пены. Как известно, по принципу неопределённости Гейзенберга невозможно одновременно узнать положение частицы и её импульс. В таких условиях вакуум никогда не бывает совершенно пуст, в нём постоянно возникают и аннигилируют пары виртуальных частиц. В своё время я также переводил статью о том, что никаких виртуальных частиц не существует, но от этой гипотезы пока предлагаю абстрагироваться.
Если виртуальные частицы существуют, то они образуются из энергии, наполняющей вакуум, а при коллапсе гигантской звезды такая энергия должна выделяться в огромном объёме. Тогда, по мнению Карбалло-Рубио, виртуальные частицы могут располагаться послойно, тяготея к северному или южному магнитному полюсу. В таком случае могла бы возникать показанная выше слоистая структура, где отдельные слои не схлопываются, а отталкиваются друг от друга.
В соответствии с теорией относительности, любая материя и энергия искривляют пространство, порождая сильные гравитационные поля, искривляя свет и вызывая синее смещение. Поэтому снаружи гравастар может притягивать материю точно так, как это делает чёрная дыра, а в оптическом диапазоне выглядеть как чёрная дыра, время от времени сбрасывая избыточную энергию в виде всплесков рентгеновского излучения.
Гравастары и конденсат Бозе-Эйнштейна
В 1925 году Эйнштейн также спрогнозировал существование экзотического агрегатного состояния вещества, сегодня именуемого «конденсат Бозе-Эйнштейна». Индийский физик Шатьендранат Бозе (1894–1974) предположил, что в минимальном энергетическом состоянии (при температуре, близкой к абсолютному нулю) может формироваться газ, состоящий не из атомов, а из элементарных частиц, которые впоследствии были названы «бозонами» в честь Бозе. Эйнштейн, в свою очередь, считал, что в «бозонном газе» квантовые эффекты должны проявляться в макроскопическом масштабе. В 1995 году Эрик Корнелл и Карл Вимен впервые смогли получить конденсат Бозе-Эйнштейна, охладив до десятков нанокельвинов около 2000 атомов рубидия. В XXI веке были получены и другие виды такого «газа», в том числе, состоящего из одних фотонов. Если такое агрегатное состояние вещества может формироваться в природе, то для него будет характерна очень высокая однородность (низкая энтропия), тогда как традиционная чёрная дыра, напротив, должна обладать предельно возможной энтропией.
Если предположить, что гравастар — это следующая стадия развития нейтронной звезды, то в результате дальнейшего коллапса нейтроны должны распадаться на отдельные бозоны, в результате чего гравастар сближается по свойствам с гигантским атомом. Согласно модели Мазура и Моттолы, в глубине гравастара может существовать де-ситтеровское пространство-время, в котором устанавливаются положительная энергия вакуума и отрицательное давление. Отрицательное давление не позволяет гравастару превратиться в сингулярность. В таком случае внешний слой гравастара может состоять из нейтронов и казаться тем самым «горизонтом событий». Но при попадании за этот слой поступающая извне материя распадается на бозоны и исчезает для внешнего наблюдателя, не увеличивая при этом энтропию внутренних слоёв гравастара.
Наконец, уже в феврале 2024 года физики Даниэль Ямпольски и Лучиано Реццолла из Университета Гёте во Франкфурте-на-Майне предложили новое решение, согласующееся с общей теорией относительности и допускающее существование нескольких гравастаров, вложенных друг в друга по принципу матрёшки. Такую звезду они назвали «нестаром» (nestar) от английского «nested» (вложенный). Их исследование опубликовано в журнале »Classical and Quantum Gravity».
Заключение
Описанные выкладки являются строго гипотетическими, однако всё-таки разрешают некоторые из накопившихся противоречий и парадоксов, связанных с чёрными дырами. В принципе, чёрные дыры и гравастары вполне могут сосуществовать во Вселенной, оставаясь схожими только для внешнего наблюдателя. Мы до сих пор не представляем, в каком состоянии может находиться материя в недрах чёрной дыры, однако вполне можем изучать конденсат Бозе-Эйнштейна; более того, недавние опыты на МКС показали, что в невесомости вещество сохраняется в таком агрегатном состоянии более секунды, а остудить его удаётся до долей нанокельвина. Учитывая, насколько желанной целью для современной физики является получение вещества с отрицательной энергией (в частности, для создания варп-пузырей), гипотеза гравастаров заслуживает дальнейшего изучения или хотя бы уверенного опровержения. Вероятно, в данном случае может помочь дальнейшая работа коллаборации LIGO. Гравитационные волны от столкновения гравастаров, чёрных дыр и нейтронных звёзд вполне могут отличаться интенсивностью и скоростью затухания из-за явных отличий в составе и степени энтропии таких объектов. Моделирование таких отличий в Университете Гёте во Франкфурте-на-Майне ведётся с 2016 года, но пока кандидаты в гравастары не обнаружены.
