Ученые из Университета Бен-Гуриона открыли "замороженные звезды"

В недавнем исследовании, нацеленном на решение крупных парадоксов физики черных дыр, выдвигается предположение, что черные дыры могут не соответствовать традиционным представлениям, сформированным на основе общей теории относительности Эйнштейна. Исследователи считают, что вместо этого они могут представлять собой так называемые "замороженные звезды".

"Замороженные звезды можно рассматривать как мимикрирующие черные дыры: они тоже являются ультракомпактными астрофизическими объектами, однако лишены сингулярностей и не обладают горизонтом событий", — пояснил Рами Бруштейн из Университета Бен-Гуриона, один из ученых, участвующих в исследовании, в своем электронном сообщении. "Тем не менее, они также демонстрируют схожие наблюдаемые свойства, такие как мощные гравитационные поля".

Замороженные звезды, появившиеся из теории струн — физического подхода, нацеленного на объединение всех фундаментальных сил и взаимодействий между частицами в единую квантовую теорию, знаменуют собой значительный отход от традиционного представления о черных дырах.

В отличие от черных дыр, в основном состоящих из пустого пространства с сингулярностью бесконечной плотности в центре, замороженные звезды содержат материю, равномерно распределенную в их внутренностях. Считается, что эта материя состоит из жестких струн под постоянным натяжением, создающих огромное давление, стабилизирующее структуру замороженной звезды и препятствующее образованию сингулярности.

Это различие важно, поскольку бесконечности — например, бесконечная плотность в центре черной дыры — свидетельствуют о сбое нашего понимания природы, и многие физики считают, что бесконечностей в физической реальности существовать не должно.

Еще одной ключевой проблемой черных дыр является информационный парадокс, также известный как информационный парадокс Хокинга. Этот парадокс возникает из-за кажущегося конфликта между квантовой механикой и общей теорией относительности Эйнштейна.

Квантовая механика требует сохранения информации, в то время как общая относительность допускает возможность исчезновения информации внутри черных дыр. Этот парадокс усугубляется существованием горизонта событий, за границей которого никакая информация и никакие сигналы не могут покинуть черную дыру.

Возле горизонта событий из вакуума создаются пары частиц, как изящно описал Стивен Хокинг. Образующееся излучение Хокинга вызывает постепенное испарение черных дыр, обостряя проблему отсутствия ясного механизма для сохранения информации внутри черных дыр.

Модель замороженных звезд предлагает убедительное решение. Устраняя сингулярности и горизонты событий, замороженные звезды избегают информационного парадокса. Вместо горизонта событий у них есть поверхность, аналогичная поверхности нейтронных звезд. Излучение, испускаемое замороженными звездами, аналогично медленному высвобождению энергии от обычного горячего тела, причем информация сохраняется по мере изменения состояния звезды.

Создание вращающихся замороженных звезд

Хотя теория замороженных звезд предоставляет решение многих парадоксов, изначально у нее были ограничения. В ранних работах, рассматривавших модель замороженной звезды, разработанной Бруштейном и его коллегой А. Дж. М. Медведом из Университета Родса, речь шла только о невращающихся звездах.

Это было сделано из-за того, что включение вращения значительно усложняет математику и физику системы. Однако это было также значительным недостатком, так как реальные черные дыры зачастую обладают высокой скоростью вращения из-за углового момента коллапсирующего вещества, аналогично вращению Солнечной системы.

В их последнем исследовании, опубликованном в журнале Progress of Physics, Бруштейн и Медвед расширили свою модель, включив вращающиеся замороженные звезды.

"Мы реализовали обобщенную модель для замороженной звезды, которая может вращаться с максимальной допустимой скоростью вращения (фактически, скорость света)", — объяснил Медвед.

Этот успех имеет значимость, так как предыдущие попытки включения вращения в модели-имитаторы черных дыр обычно касались низких скоростей вращения, что упрощает вычисления.

Новая модель замороженной звезды не только воспроизводит массу и угловой момент реальной вращающейся черной дыры, но и имитирует ее внешнюю геометрию. Эта геометрия определяет, как материя движется в окрестностях объекта, делая замороженные звезды практически неотличимыми от черных дыр для наблюдателей снаружи в большинстве условий.

Значение и будущие перспективы

Способность замороженных звезд имитировать как статические, так и вращающиеся черные дыры имеет глубокие последствия как для астрофизики, так и для фундаментальной физики. Модель, решая многолетние парадоксы, бросает вызов привычным представлениям о черных дырах. Однако наблюдать замороженные звезды остается вызовом.

"Для замороженных звезд в равновесии практически невозможно наблюдательно отличить эти объекты от обычных черных дыр", — сказал Бруштейн. Однако отклонения от равновесия, такие как те, которые могут возникнуть в процессе сливания с подобными объектами, могут выявить различия, обусловленные внутренней структурой замороженных звезд.

Исследователи планируют анализировать данные гравитационных волн с обсерваторий, таких как LIGO и Virgo, чтобы искать сигналы, характерные для замороженных звезд. Такие излучения при слияниях могут отличаться от тех, что прогнозируются для черных дыр, предоставляя возможный наблюдательный тест для модели.

"Основная перспектива нашей работы — создание формальных расчетов, которые могут быть проверены в рамках текущих и предстоящих эмпирических данных о гравитационных излучениях", — отметил Медвед.

Преодолевая границы теоретических идей из теории струн с экспериментальными наблюдениями, модель замороженной звезды открывает новые пути для понимания самых загадочных объектов Вселенной и решения фундаментальных противоречий между квантовой механикой и общей теорией относительности.