Физики Ямпольский и Реццолла: коллапс звезды может дать гравастар без чёрной дыры

Гравастары: новая модель сверхплотных объектов без сингулярности и горизонта событий

Физики из Франкфуртского университета Даниэль Ямпольский и Лучано Реццолла впервые построили математическую модель, описывающую формирование гравастара — гравитационной звезды из вакуумного конденсата. Этот объект решает две фундаментальные проблемы теории чёрных дыр: сингулярность в центре и парадокс потери информации на горизонте событий. Исследование показывает, что гравастар может возникать в результате коллапса массивной звезды, но только при соблюдении строгих физических условий.

Как устроен гравастар изнутри

Снаружи гравастар неотличим от чёрной дыры той же массы. Однако внутри него нет ни бесконечно плотной точки, ни границы, за которой исчезает информация. Внутреннее пространство заполнено чистой энергией вакуума с отрицательным давлением — аналогом тёмной энергии. Вещество сосредоточено в виде тонкой сверхплотной оболочки на границе объекта.

Для моделирования динамики коллапса учёные разделили пространство на три зоны:

• Внутреннее ядро: область с постоянной плотностью энергии и отрицательным давлением, создающая гравитационное отталкивание.
• Сжимающаяся оболочка: обычное вещество, падающее к центру под действием собственной гравитации.
• Внешнее пространство: пустая область со статическим гравитационным полем.

Математические уравнения, описывающие внутреннее ядро, идентичны уравнениям, описывающим расширение Вселенной на ранних этапах её существования или в далёком будущем под действием тёмной энергии. Ядро гравастара представляет собой обособленную мини-вселенную, стремящуюся к расширению, но запертую под давлением падающего извне вещества.

Механизм остановки коллапса

Ключевой результат модели — математическое описание момента встречи расширяющегося ядра и сжимающегося вещества. Скорость течения времени во внутренней области де Ситтера и в слое падающего вещества соотносятся нелинейно. Когда граница ядра приближается к критическому радиусу, скорость изменения временных координат стремится к бесконечности.

С точки зрения падающего вещества расширение ядра прекращается ровно в момент соприкосновения с внутренним краем материи. Это происходит вблизи гравитационного радиуса — той границы, где у чёрной дыры образовался бы горизонт событий. Система уравнений на границе зон показывает возникновение сильного поверхностного натяжения. Вещество перестаёт падать к центру и распределяется в виде чрезвычайно тонкого слоя на поверхности ядра. Коллапс останавливается без образования сингулярности.

Условия формирования: предел компактности

Гравастар может сформироваться не из любого коллапсирующего объекта. Исследователи вывели точную формулу предела компактности для исходной звезды:

C = M / R₂ <= 3/8 = 0,375

Компактность — это отношение массы объекта к его первоначальному радиусу. Если плотность и масса звезды таковы, что её компактность превышает 0,375, коллапс завершится образованием классической чёрной дыры. Сигнал от расширяющегося ядра просто не успеет дойти до внешней границы, чтобы остановить падение. Полученный предел близок к пределу Бухдаля (4/9 ≈ 0,444), который определяет максимально возможную плотность любого стабильного тела в рамках общей теории относительности.

Точная настройка: почему чёрные дыры встречаются чаще

Процесс образования гравастара требует исключительно точных параметров начальной системы. Физики построили диаграмму распределения начальной плотности энергии во внутреннем ядре и пространственной кривизны. Значения, приводящие к успешному формированию стабильного объекта, лежат строго на границе между двумя другими исходами: нестабильным состоянием (ядро рассеивает вещество обратно в космос) и падением в чёрную дыру.

С одной стороны, это объясняет, почему чёрные дыры остаются более вероятным исходом коллапса. С другой — математическая граница стабильных решений непрерывна, что доказывает существование бесконечного множества путей для достижения нужного баланса сил. Это означает физическую возможность существования таких объектов в природе.

Как обнаружить гравастар: гравитационно-волновое эхо

Новая модель даёт астрофизикам чёткие ориентиры для поиска гравастаров. Поскольку у объекта нет горизонта событий, падающее излучение и физические возмущения ведут себя иначе, чем в случае с чёрной дырой. Наиболее перспективный метод — гравитационно-волновая астрономия.

При слиянии двух чёрных дыр детекторы фиксируют гравитационный всплеск, который быстро затухает — волны беспрепятственно уходят под горизонт событий. В случае слияния гравастаров гравитационные волны будут частично отражаться от сверхплотной материальной оболочки и возвращаться во внешнее пространство. В регистрируемом сигнале это проявится как серия затухающих эхо-сигналов, следующих за основным всплеском. Обнаружение таких эхо-сигналов в данных детекторов LIGO и Virgo станет прямым подтверждением существования гравитационных звёзд из вакуумного конденсата.

По материалам: iXBT