Считается, что компактная звезда большой массы обречена на превращение в чёрную дыру, поскольку астрономы не видят стабильных нейтронных звёзд с массой более двух солнечных. Ведущий научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) доктор физико-математических наук Илья Ройзен готов оспорить это утверждение.
Дело в том, что на определённом этапе эволюции более массивной звезды возможен переход ядерного вещества в субадронную фазу, приводящий к её разогреву и препятствующий дальнейшему гравитационному сжатию.
1
«Опасность», подстерегающая компактные нейтронные звезды большой массы, хорошо известна. Пусковым механизмом схлопывания в чёрную дыру является предварительный взрыв сверхновой, который происходит после выгорания ядерного топлива, противостоящего силам гравитационного притяжения. Далее, согласно общей теории относительности, «холодная» звезда с массой, превышающей некоторое критическое значение, становится неустойчивой и неизбежно подвергнется неограниченному сжатию — гравитационному коллапсу. Слово «холодная» здесь ключевое: оно означает, что температура нейтронной звезды недостаточно высока для рождения пар ядерных частиц и античастиц, хотя она в тысячи раз превышает температуру в центре Солнца.
Твёрдая корка внешних слоев нейтронной звезды состоит из тяжёлых атомных ядер, упорядоченных в кубическую решетку, с электронами, свободно летающими между ними. (Иллюстрация Vokrugsveta.ru.)
Профессор Ройзен обратил внимание на то, что при гравитационном сжатии звезды возможно проявление ещё одной неустойчивости, которая «конкурирует» с гравитационным коллапсом. «Эти неустойчивости являются взаимоисключающими: если развилась одна, то условия для реализации второй возникнуть уже не смогут, и наоборот, — поясняет учёный. — Неустойчивость, о которой я говорю, обусловлена структурой квантовохромодинамического вакуума — основного состояния системы, в которой нет реальных частиц».
Суть вот в чём: в вакууме есть так называемые глюонный и кварк-антикварковый конденсаты с отрицательной, но очень большой по абсолютной величине плотностью энергии и таким же огромным положительным давлением (для вакуума сумма двух этих величин всегда равна нулю). Но когда гравитационное сжатие сближает нейтроны настолько, что они соприкасаются друг с другом, ядерное вещество переходит в другую фазу — субадронную. В этом случае нейтроны утрачивают свою индивидуальность, и кварки перестают удерживаться внутри них. При этом трансформируется сам вакуум: он становится действительно пустым, то есть с равными нулю давлением и плотностью энергии. В результате вещество начинает коллапсировать — стремительно падать на центр звезды, не встречая почти никакого сопротивления, что приводит к сильному разогреву. Процесс прекратится только тогда, когда произойдёт массовое рождение кварк-антикварковых пар и глюонов, которые обеспечат достаточное давление в центральной области даже при отсутствии там давления самого вакуума.
«Согласно проведенным зарубежными учёными расчётам, для этого необходимо, чтобы температура в центре поднялась как минимум на порядок, — продолжает Илья Ройзен. — Остыть же за время продолжительности коллапса звезда не успевает, так как при соответствующих плотностях ядерного вещества в нём надолго вязнут даже самые проникающие частицы — нейтрино, которые в другом случае могли бы помочь звезде быстро избавиться от «опасного» перепада температур и восстановить тепловое равновесие».
По мнению учёного, при массах нейтронных звёзд, лишь незначительно превышающих критическую, возможно относительно медленное распространение тепловой волны от очень горячего центра звезды к её «холодной» периферии, что приведёт к выбросу вещества и излучения. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока нейтронная звезда не сбросит свою массу до критической (или несколько меньше), после чего давление в её центре уменьшится, фазовый переход прекратится, и начнётся «мирное» охлаждение. Если же масса звезды окажется существенно больше критической, дальнейшее сжатие в целом и разбухание объёма, занятого горячей субадронной фазой, будут происходить одновременно. И тогда возможна даже полная самоликвидация звезды.
И вновь слово профессору Ройзену: «Описание происходящих при этом процессов не только очень сложно само по себе, но и зависит от уравнения состояния сверхплотной ядерной среды, о котором мы имеем лишь весьма приблизительное представление. Впрочем, можно с уверенностью говорить, что даже при минимальной массе, которая в режиме холодного сжатия могла бы предопределить схлопывание звезды в чёрную дыру, неизбежно опережающее развитие фазовой неустойчивости, которая приводит к сильнейшему разогреву звездной среды и, стало быть, разрушению этого «благостного» режима. Поэтому критическая конфигурация (то есть достаточно большое для образования чёрной дыры отношение массы звезды или её части к соответствующему радиусу) оказывается, по всей вероятности, недостижимой».
Гипотетический вид на чёрную дыру с массой в десять солнечных, отстоящую от наблюдателя на 900 км. (Иллюстрация Wikimedia.)
Формально этот вывод получен для изолированной невращающейся звезды сферической формы, но его универсальность очевидна: любые отклонения (наличие звезды-спутника, быстрое вращение и сопутствующая несферичность звезды, а также неоднородное распределение вещества внутри неё) могут только способствовать опережающему развитию фазовой неустойчивости.
2
Стоит сказать несколько слов и об экспериментальной стороне дела. Прежде всего нужно отметить, что основным критерием, используемым сегодня для идентификации таких «подозрительных» объектов, как чёрные дыры, является отсутствие у них признаков существования поверхности. Однако это обстоятельство не может служить аргументом против предлагаемого здесь альтернативного сценария звёздной эволюции: очень похоже должны выглядеть и описанные выше коллапсирующие, но не схлопнувшиеся в чёрную дыру компактные звёзды.
Есть и определённые указания в пользу предлагаемого сценария. В последние годы были замечены аномально мощные гамма-всплески, излучённые весьма удалёнными (а значит, довольно молодыми) звёздными объектами. Выделяемая при этом гигантская энергия плохо вписывается в рамки обычных схем, используемых применительно к взрывам сверхновых, однако может ассоциироваться именно с процессами, обусловленными описанной фазовой неустойчивостью, которая неминуемо вызывает нагрев ядерной среды до экстраординарно высоких температур.
Совсем недавно был обнаружен магнетар (нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем), имеющий, судя по всему, весьма массивную звезду-прародителя — не менее 40 солнечных масс. Согласно бытующим на сегодня представлениям, в этом случае после взрыва сверхновой центральная часть звезды должна была давным-давно превратиться в недоступную прямому наблюдению чёрную дыру. Но этого не произошло.
Подготовлено по материалам Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.
Новую теорию происхождения космических галактик доказали швейцарские ученые. Согласно результатам их научных изысканий, в центре каждой галактики (в том числе и нашей) находится черная дыра, которая и является центром ее возникновения. Новое открытие противоречит общепринятой теории происхождения космических галактик, согласно которой черные дыры обладают разрушающей, а не созидательной силой: до этого момента считалось, что они поглощают космическую материю и тела, за счет которых увеличиваются в размерах.
Черные дыры - относительно малоизученные космические области, в которых гравитационная сила настолько велика, что ее не могут преодолеть объекты, движущиеся даже со скоростью света, передает BBC.
