Внутри погибающей звезды может сформироваться новая Вселенная: исследование физиков-теоретиков

Чтобы понять, о чем речь, нужно разобраться с тем, что происходит с очень массивной звездой в конце жизни. Пока звезда горит, ядерный синтез — процесс, при котором атомные ядра сливаются и выделяют энергию — создает давление, которое удерживает звезду от сжатия под собственной тяжестью. Когда топливо заканчивается, это давление исчезает, и гравитация начинает сжимать звезду все сильнее. По общепринятым представлениям, итогом становится черная дыра.

У черных дыр есть свойство, которое не дает покоя физикам уже десятилетиями: в их центре, по уравнениям общей теории относительности, вещество сжимается до сингулярности — точки с бесконечной плотностью и бесконечной кривизной пространства-времени. В такой точке привычные законы физики перестают работать, а это означает, что предсказать, что там происходит, невозможно. Кроме того, у черной дыры есть горизонт событий — граница, за которую не может вырваться даже свет, так что все, что оказалось внутри, становится навсегда недоступным для наблюдения.

Именно из-за этих трудностей часть ученых ищет альтернативы. Один из кандидатов в объяснение — гравастар, или гравитационная вакуумная звезда (от английского gravitational vacuum star). Ее предложили еще в начале 2000-х годов физики Пол Мазур и Эмиль Мотола. Снаружи гравастар выглядел бы почти как черная дыра: такой же массивный и черный. Но внутри — никакой сингулярности и никакого горизонта событий. Вместо этого его недра заполнены темной энергией.

Темная энергия — это то, что сегодня заставляет расширяться всю нашу Вселенную. Ее природа до сих пор неизвестна, но ее действие можно описать как давление, направленное наружу. В модели гравастара это давление предотвращает коллапс: темная энергия изнутри противостоит гравитации снаружи, и объект оказывается в равновесии.

Гравастары существовали как теоретический концепт около 25 лет, но у них оставалась принципиальная проблема: никто не мог объяснить, как они вообще возникают. Теоретическую конструкцию нарисовали, а механизм ее образования из реального вещества оставался неизвестным.

Их вывод звучит так: в определенных условиях, когда звезда почти достигла стадии черной дыры, в самом ее центре из нулевого размера начинает нуклеировать — то есть зарождаться и расти — область де Ситтера. Пространство де Ситтера — это математическое описание вселенной, которой управляет темная энергия и которая поэтому расширяется. Именно так устроена наша вселенная.

Маленький пространственный пузырь начинает расти изнутри. Как и в случае нашей вселенной, его расширение обеспечивает темная энергия. По мере роста он давит на коллапсирующее вещество звезды снаружи и замедляет сжатие. «Большой взрыв нарождающейся вселенной может начаться уже после того, как звезда почти стала черной дырой», — объясняет Ямпольски.

Расширение мини-вселенной естественным образом замедляется именно там, где оно встречается с поверхностью коллапсирующего вещества — вблизи радиуса Шварцшильда (это характерный радиус, при достижении которого объект становится черной дырой). В этой точке два процесса — расширение изнутри и сжатие снаружи — уравновешивают друг друга. Так возникает стабильный гравастар.

Авторы также обнаружили конкретное численное ограничение: если начальная компактность звезды, то есть отношение ее массы к размеру, превышает значение 3/8, коллапс в черную дыру неизбежен —гравастара не получится.

Рецолла подчеркивает, что эта работа не ставит под сомнение существование черных дыр. «Поиск альтернатив не означает скептицизма по отношению к черным дырам — они по-прежнему остаются самым естественным и простым объяснением гравитационного коллапса», — говорит он. Но история науки показывает, что экзотические интерпретации порой со временем становятся общепринятыми.

Иллюстрация Daniel Jampolski and Luciano Rezzolla, Goethe University Frankfurt