Автор: Сегодня я хочу познакомить вас с тремя такими объектами. Они существуют только на бумаге, в уравнениях, в головах физиков-теоретиков. Но они не противоречат никаким законам физики. Они вполне могут быть реальными. Мы просто ещё не научились их замечать.
Все три объекта — это не выдумка фантастов, а прямое следствие наших лучших теорий. Если физика верна, они должны существовать. И если мы их найдём, это изменит всё.
Содержание
Кварковая звезда: когда нейтронам становится тесно
Начнём с самой, пожалуй, «близкой» к реальности гипотезы. С кварковой звезды. Чтобы понять, что это такое, нужно сначала разобраться, что такое нейтронная звезда.
Кто такие нейтронные звёзды
Нейтронная звезда — это то, что остаётся после смерти массивной звезды. Звезда взрывается сверхновой, её внешние слои разлетаются в космос, а ядро коллапсирует под собственной гравитацией.
Что происходит с этим ядром? Гравитация так сильно сжимает материю, что атомы разрушаются. Электроны вдавливаются в протоны, и они становятся нейтронами. Вся звезда превращается в один огромный шар из нейтронов.
Нейтронная звезда настолько плотная, что одна чайная ложка её вещества весит больше, чем гора Эверест. Около 10 миллиардов тонн.
Это звучит как фантастика, но это реальность. Мы наблюдали нейтронные звёзды. Мы знаем, что они существуют. Это не гипотеза.
А что если нейтроны не выдерживают
А теперь вопрос. А что если звезда ещё массивнее? Что если её масса настолько велика, что даже нейтроны не могут оставаться целыми?
Нейтроны, как мы знаем, состоят из кварков. Обычно кварки заперты внутри нейтронов, как в тюрьме. Но если давление становится слишком сильным, эта тюрьма разрушается. Кварки высвобождаются и образуют новое состояние материи — кварк-глюонную плазму.
Вся звезда становится гигантским сгустком кварков. Такую звезду мы бы назвали кварковой.
Она была бы ещё меньше нейтронной, ещё плотнее. Но по своим внешним свойствам — по светимости, по массе, по размерам — она была бы очень похожа на нейтронную звезду. Настолько похожа, что мы не можем их отличить.
Как мы их ищем
И вот тут начинается самое интересное. Мы не знаем, существует ли хоть одна кварковая звезда. Но мы подозреваем, что некоторые из тех объектов, которые мы считаем нейтронными звёздами, на самом деле могут быть кварковыми.
Сейчас единственная надежда — это гравитационные волны. Когда две нейтронные звезды сталкиваются, они создают гравитационные волны. И форма этих волн зависит от того, из чего именно состоят звёзды.
Если столкнулись две нейтронные звезды — сигнал один. Если одна из них кварковая — сигнал другой. Тонкие различия, которые мы пока не можем надёжно зафиксировать, но с каждым годом детекторы становятся лучше.
Может быть, в ближайшие годы мы услышим «голос» кварковой звезды. И тогда это будет открытие, которое заставит переписать учебники.
Тёмная звезда: свет без термоядерного синтеза
Теперь перейдём к чему-то гораздо более экзотическому. К звёздам, которые светят не за счёт термоядерного синтеза, а за счёт тёмной материи.
Первые звёзды Вселенной
В первые сотни миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной не было привычных нам звёзд. Не было ничего. Только газ — водород и гелий — медленно сжимающийся под действием гравитации.
Когда газ сжимается, он нагревается. В какой-то момент температура становится настолько высокой, что начинается термоядерный синтез. Так зажигается первая звезда.
Но есть альтернатива.
Представьте, что в центре этого сжимающегося облака газа есть не просто водород, а тёмная материя. И не просто тёмная материя, а такая, которая может аннигилировать — то есть превращаться в энергию при столкновении.
Если это так, то внутри облака выделяется колоссальное количество энергии. Эта энергия может остановить гравитационное сжатие. Газ не становится достаточно горячим для термоядерного синтеза. Но он светит. Потому что его греет аннигиляция тёмной материи.
Такая звезда не светит за счёт синтеза, она светит за счёт распада тёмной материи. Её называют тёмной звездой.
Гигантские размеры
У тёмных звёзд есть одна особенность. Они могут быть невероятно большими.
Обычные звёзды ограничены по размеру. Если звезда слишком массивная, она начинает излучать слишком много энергии и разрушает саму себя. У тёмных звёзд такого ограничения нет. Они могут весить в миллионы раз больше Солнца.
Тёмная звезда может быть размером с целую галактику. Она может быть в тысячи раз ярче любой известной звезды. И она может существовать миллионы лет, пока в её окрестностях есть тёмная материя.
Ключ к разгадке сверхмассивных чёрных дыр
Это не просто красивая теория. Это может решить одну из самых больших загадок современной астрофизики.
Мы видим в ранней Вселенной сверхмассивные чёрные дыры. Они уже существовали, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Но как они могли вырасти до таких размеров так быстро? Обычные звёзды не могли бы стать такими огромными за такое короткое время.
Ответ: возможно, это были тёмные звёзды. Они вырастали до гигантских размеров, а потом, когда тёмная материя в их окрестностях иссякала, они коллапсировали в чёрные дыры. И эти чёрные дыры были уже огромными с самого начала.
Это объясняет всё. И в последние годы астрономы нашли несколько объектов в ранней Вселенной, которые слишком яркие для своего возраста. Они не вписываются в стандартную модель. Но они прекрасно вписываются в модель тёмных звёзд.
Гравитационная вакуумная звезда: соперник чёрной дыры
Третья гипотеза — самая радикальная. Она оспаривает само существование чёрных дыр. По крайней мере, в том виде, в котором мы их представляем.
Проблема сингулярности
Чёрная дыра — это область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что ничто не может вырваться наружу. В центре чёрной дыры, по теории, находится сингулярность. Точка с бесконечной плотностью и нулевым объёмом. Там перестают работать законы физики.
Сингулярность — это математический артефакт. Мы не знаем, что там на самом деле, потому что наши теории рушатся. Но многие физики считают, что сингулярность — это признак того, что теория неполна, а не того, что природа на самом деле такова.
Альберт Эйнштейн, кстати, тоже не верил в сингулярности. Он считал, что они должны быть как-то «сглажены».
Альтернатива: гравитационная вакуумная звезда
И вот в 2000-х годах появилась альтернатива. Её назвали гравитационной вакуумной звездой или просто «гравастаром».
Согласно этой идее, при коллапсе массивной звезды не образуется сингулярность. Вместо этого формируется объект, который почти целиком состоит из вакуума. Внутри него нет материи. Только пустота, окружённая сверхплотной оболочкой, которая сдерживается давлением тёмной энергии.
Звучит странно, правда? Но это работает математически.
Почему она похожа на чёрную дыру
Снаружи гравастар выглядит так же, как чёрная дыра. У него есть гравитационное поле, которое искривляет свет. Никакое излучение не может вырваться наружу, потому что оболочка слишком плотная.
Для внешнего наблюдателя гравастар и чёрная дыра абсолютно неразличимы. Они имеют одинаковую массу, одинаковый радиус Шварцшильда, одинаковую гравитационную линзу.
Но внутри — принципиальная разница. У чёрной дыры есть сингулярность и горизонт событий. У гравастара — нет. Там внутри просто пустота. Вакуум, поддерживаемый квантовыми эффектами.
Слои, как у матрёшки
Более того, теория допускает, что внутри одного гравастара может быть другой, меньший гравастар. И внутри него — ещё один.
Это как матрёшка. Один вакуумный пузырь внутри другого. Теоретически их может быть бесконечное количество. Каждый слой — это отдельная вселенная или отдельный регион пространства-времени.
Конечно, это пока чисто математическая конструкция. Но она не противоречит известным законам. И она отвечает на вопрос, который мучает физиков десятилетиями: «Что происходит в центре чёрной дыры?»
Как проверить
Проверить эту гипотезу сложно. Но возможно.
Если два гравастара сольются, они создадут гравитационные волны. И форма этих волн будет немного отличаться от того, что мы ожидаем от слияния двух чёрных дыр. Разница будет крошечной, но её можно измерить.
В 2015 году мы впервые обнаружили гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр. Но, как говорят физики, те же самые данные можно интерпретировать как слияние двух гравастаров. Мы просто не знаем, что видели на самом деле.
Что это меняет
Зачем нам знать обо всех этих странных объектах? Они же далеко, их не увидеть. Какая разница, из чего состоит звезда, если она всё равно невидима?
А вот какая.
Каждый раз, когда мы открываем новый тип объектов, мы пересматриваем всю космологию. Мы пересматриваем историю Вселенной, её будущее, законы, по которым она работает.
Если окажется, что существуют кварковые звёзды, значит, материя может существовать в состояниях, о которых мы не подозревали. Это влияет на физику высоких плотностей, на модели взрывов сверхновых, на теорию нейтронных звёзд.
Если окажутся тёмные звёзды, мы поймём, как образовались первые чёрные дыры. Мы поймём, как формировались галактики. И мы получим новое окно для изучения тёмной материи — самой загадочной субстанции во Вселенной.
Если окажутся гравастары, мы поймём, что чёрные дыры — это не то, чем мы их считаем. Это изменит всё. От общей теории относительности до квантовой механики.
Мы стоим на пороге открытий, которые могут перевернуть физику. Мы пока не знаем, что именно найдём. Но мы знаем, что искать.
Почему мы их ещё не нашли
Вы спросите: «Если эти объекты должны существовать, почему мы их не видим?»
Ответ: потому что они слишком похожи на то, что мы уже знаем.
Кварковая звезда похожа на нейтронную. Тёмная звезда похожа на очень яркую обычную звезду. Гравастар похож на чёрную дыру.
Мы смотрим на Вселенную через призму наших теорий. Мы видим то, что ожидаем увидеть. Чтобы заметить разницу, нужно настроить инструменты на новые частоты, новые сигналы, новые интерпретации.
Нужно время. Нужны более точные детекторы, более мощные телескопы, более смелые гипотезы. И они уже появляются. Каждый год мы продвигаемся вперёд.
