Неуловимый объект в космосе преподнёс учёным загадку. Он похож на чёрную дыру. Он действует как чёрная дыра. Он даже может пахнуть чёрной дырой. Но у него есть одно принципиальное отличие: у него нет горизонта событий, а это означает, что вы можете вырваться из его гравитационных тисков, если приложите достаточно усилий.
Его называют звездой Бухдаля, и это самый плотный объект, который может существовать во Вселенной, не превращаясь при этом в чёрную дыру.
Но никто никогда не наблюдал их, что приводит к вопросам о том, действительно ли эти таинственные объекты существуют. Теперь физик, возможно, открыл новое свойство звёзд Бухдаля, которое могло бы помочь ответить на этот вопрос.
Путешествия в чёрную дыру
В целом астрономы согласны с тем, что чёрные дыры существуют. Доказательства их существования видны повсюду, куда бы мы ни посмотрели, включая выброс гравитационных волн при их столкновении и эффектные тени, которые они отбрасывают на окружающие материалы. Астрономы также понимают, как образуются чёрные дыры: это остатки катастрофического гравитационного коллапса массивных звёзд. Когда гигантские звёзды умирают, никакая сила в природе не способна выдержать их собственный вес, поэтому эти обречённые гиганты продолжают давить себя до бесконечности.
Однако астрономы в настоящее время не понимают, насколько может сжаться объект, не превратившись в чёрную дыру. Эксперты знают о белых карликах, которые содержат массу Солнца в объёме, эквивалентном Земле, а также знают о нейтронных звёздах, которые ещё больше сжимают всё это до размеров города. Но они не знают, есть ли ещё что-то меньшее, что избегает участи стать чёрной дырой.
Звёзды Бухдаля
В 1959 году немецко-австралийский физик Ханс Адольф Бухдаль (Hans Adolf Buchdahl) исследовал, как идеализированная «звезда», представленная в виде идеально сферического сгустка материи, может вести себя, если его максимально сжать. По мере того как сгусток становился всё меньше и меньше, его плотность росла, что делало его собственное гравитационное притяжение ещё более интенсивным. Используя инструменты общей теории относительности Эйнштейна, Бухдаль нашёл абсолютный нижний предел размера этого сгустка.
Этот особый радиус равен 9/4 массы сгустка, умноженной на ньютоновскую гравитационную постоянную и поделенной на скорость света в квадрате.
Предел Бухдаля важен, потому что он определяет максимально плотный объект, который всё ещё в состоянии избежать превращения в чёрную дыру. Ниже этого сгусток материи всегда должен становиться чёрной дырой, по крайней мере, в теории относительности.
Жизнь на грани
Поиск экзотических объектов, которые приближаются к краю этого предела — так называемых звёзд Бухдаля — стал популярным времяпрепровождением как теоретиков, так и наблюдателей. Недавно же Нареш Дадхич (Naresh Dadhich), физик из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Пуне, Индия, возможно, обнаружил удивительное свойство, которым обладают звёзды Бухдаля. Дадхич обсуждает это свойство в новой статье, представленной 11 декабря на сервере препринтов arXiv.org.
Дадхич, который называет звёзды Бухдаля «имитаторами чёрных дыр», потому что их наблюдаемые свойства будут почти идентичными, изучал, что происходит с энергией гипотетической звезды, когда она начинает коллапсировать в звезду Бухдаля.
«Когда звезда коллапсирует, она получает гравитационную потенциальную энергию, которая отрицательна, потому что гравитация притягивает», — объяснил Дадхич.
В то же время внутренняя часть звезды приобретает кинетическую энергию, поскольку всё частицы вынуждены сталкиваться друг с другом в меньшем объёме.
К тому времени, когда звезда достигает предела Бухдаля, Дадич обнаружил удивительное, но знакомое соотношение: полная кинетическая энергия равнялась половине потенциальной энергии.
Это соотношение известно как теорема вириала, и оно применимо ко многим ситуациям в астрономии, когда сила гравитации находится в равновесии с другими силами. Это означает, что звезда Бухдаля теоретически может существовать как стабильный объект с известными, хорошо изученными свойствами.
Это открытие предполагает, что теоретические звёзды Бухдаля могут действительно существовать, и это может привести к пониманию внутренней работы чёрных дыр.
«Всегда предпринимались попытки определить объекты, максимально приближённые к чёрным дырам, — рассказал Дадхич в электронном письме Live Science. — Горизонт событий чёрной дыры блокирует наше представление о том, что находится внутри неё. Но мы можем взаимодействовать со звездой Бухдаля и изучать, из чего она состоит, что может дать нам ключ к пониманию того, на что похожи внутренности чёрных дыр.»
Другое дело найти звезду Бухдаля. На сегодняшний день не существует известного расположения материи, которое могло бы создать звезду Бухдаля. Но работа Дадича указывает путь к пониманию того, как они могут работать. Потребуются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, какими ещё свойствами могут обладать эти экзотические объекты и что они могут рассказать нам о чёрных дырах.
