Что известно науке о самых необычных космических объектах. Звезды Бухдаля

Неуловимые «звезды Бухдаля» — это черные дыры без горизонта событий. Но существуют ли они на самом деле? И как это возможно?



Эти гипотетические звезды — самые плотные объекты во Вселенной, которые могут существовать, не превращаясь в полноценные черные дыры.

Неуловимый объект в космосе поставил перед учеными загадку. Он похож на черную дыру. Он действует как черная дыра. Даже пахнет он (наверное) черной дырой. Но у него есть одно принципиальное отличие: отсутствие горизонта событий, а это означает, что вы можете вырваться из его гравитационных тисков, если приложите достаточно усилий.

Объект называется «звездой Бухдаля», и это самый плотный объект, который может существовать во Вселенной, не превращаясь при этом в черную дыру. Но никто никогда не наблюдал их, что приводит к вопросам о том, действительно ли подобные небесные тела существуют в известной части космоса. Но не так давно физик, возможно, открыл новое свойство звезд Бухдаля, которое могло бы помочь ответить на этот вопрос.

Путешествия в черную дыру

В целом астрономы согласны с тем, что черные дыры существуют. Мы видим свидетельства их существования везде, куда ни глянем, включая выпуск гравитационных волн при их столкновении и драматические тени, которые они вырезают из окружающих материалов. Астрономы также понимают, как образуются черные дыры: это остатки катастрофического гравитационного коллапса массивных звезд. Когда гигантские звезды умирают, никакая сила в природе не способна выдержать их собственный вес, поэтому эти обреченные бегемоты продолжают давить себя до бесконечности.


Сверхплотная нейтронная звезда, извергающая потоки рентгеновских лучей
NASA Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA)

Однако астрономы в настоящее время не понимают, насколько может сжаться объект, не превратившись в черную дыру. Мы знаем о белых карликах, которые содержат массу Солнца в объеме, эквивалентном Земле, и мы знаем о нейтронных звездах, которые еще больше сжимают все это до размеров города. Но мы не знаем, существуют ли еще более маленькие объекты, что избегает участи стать черной дырой.

Звезды БухдаляВ 1959 году немецко-австралийский физик Ганс Адольф Бухдаль исследовал, как идеализированная «звезда», представленная в виде идеально сферического куска материала, может вести себя, если ее максимально сжать. По мере того как сгусток становился все меньше и меньше, его плотность росла, что делало его собственное гравитационное притяжение еще более интенсивным. Используя инструменты общей теории относительности Эйнштейна, Бухдаль нашел абсолютный нижний предел размера этой капли.

Этот особый радиус равен 9/4 массы шарика, умноженной на ньютоновскую гравитационную постоянную и поделенной на скорость света в квадрате. Предел Бухдаля важен, потому что он определяет максимально плотный объект, который еще может избежать превращения в черную дыру. Ниже этого предела сгусток материала всегда должен становиться черной дырой, по крайней мере, в теории относительности.

Жизнь на грани

Поиск экзотических объектов, которые приближаются к краю этого предела — так называемых звезд Бухдаля — стал популярным времяпрепровождением как теоретиков, так и наблюдателей. Теперь Нареш Дадхич, физик из Межуниверситетского центра астрономии и астрофизики в Пуне, Индия, возможно, обнаружил удивительное свойство, которым обладают звезды Бухдаля. Дадхич обсуждает это свойство в своей статье, представленной на сервере препринтов arXiv.org.

Дадхич, который называет звезды Бухдаля «имитаторами черных дыр», потому что их наблюдаемые свойства почти идентичны, 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 получает кинетическую энергию, поскольку все частицы вынуждены сталкиваться друг с другом в меньшем объеме. К тому времени, когда звезда достигает предела Бухдаля, Дадхич 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 звезды Бухдаля действительно могут быть там, и может привести к пониманию внутренней работы черных дыр.

«Всегда предпринимались попытки определить объекты, максимально приближенные к черным дырам», — рассказал Дадхич в электронном письме порталу Live Science. «Горизонт событий черной дыры блокирует наше представление о том, что находится внутри нее. Но мы можем взаимодействовать со звездой Бухдала и изучать, из чего она состоит, что может дать нам ключ к пониманию того, на что похожи внутренние части черной дыры».

Другое дело — найти реальную звезду Бухдаля. На сегодняшний день нет известного расположения материи, которое могло бы в теории создать подобное тело. Но работа Дадича указывает путь к пониманию того, как они могут работать. Потребуются дальнейшие исследования, чтобы выяснить, какими еще свойствами могут обладать эти экзотические объекты и что они могут рассказать нам о черных дырах.