Когда очень массивная звезда сжигает всё своё ядерное топливо, она оказывается беззащитной перед собственной гравитацией. Ядро стремительно сжимается, и, согласно классическим представлениям, всё вещество оказывается спрессованным в единственную точку бесконечной плотности — сингулярность, окружённую горизонтом событий. Именно так образуется чёрная дыра. Однако два физика-теоретика из Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга Гёте описали принципиально иной сценарий.
Согласно их расчётам, в самом центре схлопывающейся звезды может возникнуть крошечная область тёмной энергии. Эта область начинает расширяться изнутри — подобно тому, как разворачивалась наша Вселенная в момент Большого взрыва. Если расширяющийся пузырь тёмной энергии и сжимающееся под действием гравитации вещество уравновешивают друг друга, коллапс останавливается. В итоге образуется объект, который учёные называют гравизвездой, — столь же компактный, как чёрная дыра, но без сингулярности в центре и без горизонта событий.
Идея гравизвезды — или звезды гравитационного вакуумного конденсата — была впервые предложена ещё в 2001 году физиками Павлом Мазуром и Эмилем Моттолой. По их представлениям, внутри такого объекта находится шар из тёмной энергии, которая создаёт направленное наружу давление и не позволяет веществу продолжать сжиматься. Снаружи этот шар удерживает тонкая оболочка из обычной материи, которая действует как своего рода пояс.
Привлекательность гравизвезды для физиков состоит в том, что она избавлена от двух самых неудобных свойств чёрных дыр. Во-первых, в ней нет сингулярности — точки, в которой уравнения общей теории относительности перестают работать. Во-вторых, в ней нет горизонта событий — односторонней границы, из-за которой возникает так называемый информационный парадокс: вопрос о том, что происходит с информацией, попавшей внутрь чёрной дыры. Однако снаружи гравизвезда выглядит почти так же, как чёрная дыра, что делает их различение крайне сложной задачей.
На протяжении примерно 25 лет эта концепция оставалась теоретической конструкцией без механизма формирования. Исследователи умели описать облик готовой гравизвезды, но никто не мог показать, как именно сплошной коллапсирующий шар вещества превращается в такой объект. Именно этот пробел и попытались заполнить франкфуртские учёные.
В основу своей работы они положили классическую модель Оппенгеймера и Снайдера, описывающую сжатие однородной сферы из бесструктурного вещества под действием собственного веса. Ключевое новшество состояло в том, что в самый центр этой сферы было помещено расширяющееся скопление тёмной энергии. По мере того как пузырь приближается к так называемому радиусу Шварцшильда — критическому размеру, при котором объект с такой массой превращается в чёрную дыру, — его расширение естественным образом замедляется. Если в этот момент движение пузыря наружу и падение вещества внутрь уравновешиваются, система замирает и формируется гравизвезда. Авторы сравнивают этот процесс с маленьким Большим взрывом внутри умирающей звезды.
Решение нашёл студент магистратуры Дэниел Ямпольски под руководством профессора теоретической астрофизики Лучано Реццоллы. Чтобы обнаружить устойчивые конфигурации, учёные применили необычный приём: вместо того чтобы моделировать коллапс в прямом направлении, они отталкивались от уже сформировавшейся гравизвезды и интегрировали уравнения в обратную сторону по времени, выясняя, какие начальные условия могли привести к её образованию.
Сами авторы подчёркивают, что их результат строго ограничен рамками идеализированной модели. Равновесие, при котором возникает гравизвезда, — лишь один из трёх возможных исходов в их расчётах. Два других — это обычная чёрная дыра или объект, который вовсе не приходит в устойчивое состояние. Для того чтобы сформировалась именно гравизвезда, начальные условия должны быть подобраны с очень высокой точностью, что делает этот сценарий математически возможным, но редким в природе. Кроме того, модель использует идеализированную пыль без внутреннего давления, а сжатие предполагается идеально сферическим — условия, которым ни одна реальная звезда не соответствует в полной мере.
Реццолла особо оговорился, что эта работа не является аргументом против существования чёрных дыр. Чёрные дыры остаются наиболее естественным и простым объяснением гравитационного коллапса. Задача исследования — выяснить, могут ли в принципе существовать экзотические альтернативы, и теперь по крайней мере у одной из них появилась хотя бы теория формирования.
Принципиальный вопрос — можно ли вообще отличить гравизвезду от чёрной дыры с помощью наблюдений. Наиболее перспективным инструментом здесь считаются гравитационные волны. При слиянии двух компактных объектов образовавшийся остаток «звенит» на определённых частотах, и гравизвезда без горизонта событий должна давать другой сигнал, чем обычная чёрная дыра. Детекторы гравитационных волн фиксируют подобные сигналы с 2015 года, и пока все зарегистрированные события хорошо согласуются с поведением обычных чёрных дыр. Разница, которую могла бы внести гравизвезда, настолько мала, что для её обнаружения потребуются значительно более чувствительные приборы, чем существующие сегодня.
