В настоящее время считается, что компактная звезда достаточно большой массы обречена, в конечном счете, на превращение в чёрную дыру. Аргументом является то, что астрономы не видят стабильных нейтронных звёзд с массой больше 2 масс Солнца. Однако, как установил ведущий научный сотрудник ФИАН доктор физико-математических наук Илья Ройзен, это утверждение далеко не бесспорно.

Дело в том, что на определённом этапе эволюции более массивной звезды возможен переход ядерного вещества в субадронную фазу, приводящий к её разогреву и препятствующий дальнейшему гравитационному сжатию.

«Опасность», подстерегающая компактные нейтронные звезды большой массы, хорошо известна – это их схлопывание в черную дыру. Пусковым механизмом такого процесса является предварительный взрыв сверхновой, который происходит после выгорания ядерного топлива, противостоящего силам гравитационного притяжения. Дальше, согласно общей теории относительности, «холодная» звезда с массой, большей некоторого критического значения, становится неустойчивой и неизбежно подвергнется неограниченному сжатию – гравитационному коллапсу. Слово «холодная» здесь ключевое – оно означает, что температура нейтронной звезды недостаточно высока для рождения пар ядерных частиц и античастиц, хотя она и в тысячи раз превышает температуру в центре Солнца.

Рис. 1. В окрестностях нейтронной звезды в представлении художника-фантаста.

Ведущий научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) доктор физико-математических наук Илья Ройзен обратил внимание на то, что при гравитационном сжатии звезды возможно проявление ещё одной неустойчивости, которая «конкурирует» с гравитационным коллапсом.

Эти неустойчивости являются взаимоисключающими – если развилась одна, то условия для реализации второй возникнуть уже не смогут и наоборот. Неустойчивость, о которой я говорю, обусловлена структурой квантовохромодинамического вакуума – основного состояния системы, в которой нет реальных частиц", – рассказывает Илья Ройзен.

Суть заключается в том, что в вакууме присутствуют так называемые глюонный и кварк-антикварковый конденсаты с отрицательной, но очень большой по абсолютной величине плотностью энергии и таким же большим положительным давлением (для вакуума сумма двух этих величин всегда равна нулю). Но когда гравитационное сжатие сближает нейтроны настолько, что они начинают соприкасаться друг с другом, ядерное вещество переходит в другую фазу – субадронную. А именно – нейтроны утрачивают свою индивидуальность и кварки перестают удерживаться внутри них; но, что самое главное, трансформируется сам вакуум – он становится, действительно, «пустым», то есть с равными нулю давлением и плотностью энергии. В результате вещество начинает коллапсировать – стремительно падать на центр звезды, не встречая почти никакого сопротивления, что приводит к сильному разогреву. Остановится этот процесс только тогда, когда произойдет массовое рождение кварк-антикварковых пар и глюонов, которые обеспечат достаточное давление в центральной области даже при отсутствии там давления самого вакуума.

Рис. 2. От атомов до кварков – иерархическая структура.

Рис. 3. Современный контент элементарных частиц, предсказываемый в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц.

Согласно проведенным зарубежными учёными численным расчётам, – поясняет профессор Ройзен, – для этого необходимо, чтобы температура в центре поднялась как минимум на порядок. Остыть же за время продолжительности коллапса звезда не успевает, так как при соответствующих плотностях ядерного вещества в нём надолго «вязнут» даже самые проникающие частицы – нейтрино, которые в другом случае могли бы помочь звезде быстро избавиться от «опасного» перепада температур и восстановить тепловое равновесие".

Как выяснил Илья Ройзен, при массах нейтронных звёзд, лишь незначительно превышающих критическую, возможно относительно медленное распространение тепловой волны от очень горячего центра звезды к ее «холодной» периферии, что приведет к выбросу вещества и излучения. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока нейтронная звезда не сбросит свою массу до критической или несколько меньше, после чего давление в её центре уменьшится, фазовый переход прекратится, и начнется «мирное» охлаждение. Если же масса звезды окажется существенно больше критической, то дальнейшее сжатие звезды в целом и разбухание объёма, занятого горячей субадронной фазой, будут происходить одновременно. В этом случае возможна даже полная самоликвидация звезды.

Рис. 4. В окрестностях черной дыры в представлении художника-фантаста.

Описание происходящих при этом процессов не только очень сложно само по себе, но и зависит от уравнения состояния сверхплотной ядерной среды, о котором мы имеем лишь весьма приблизительное представление. Но можно с уверенностью говорить, что даже при минимальной массе, которая в режиме холодного (!) сжатия могла бы предопределить схлопывание звезды в черную дыру, неизбежно опережающее развитие фазовой неустойчивости, которая приводит к сильнейшему разогреву звездной среды и, стало быть, разрушению этого «благостного» режима. Поэтому критическая конфигурация – то есть достаточно большое для образования чёрной дыры отношение массы звезды или её части к соответствующему радиусу – оказывается, по всей вероятности, недостижимой", – отмечает Илья Исаевич.

Формально этот вывод получен для изолированной не вращающейся звезды сферической формы, но его универсальность достаточно очевидна: любые отклонения – наличие звезды-спутника, быстрое вращение и сопутствующая несферичность звезды, а также неоднородное распределение вещества внутри нее, – могут только способствовать опережающему развитию фазовой неустойчивости.

Стоит сказать несколько слов и об экспериментальной стороне дела.

Прежде всего, нужно отметить, что основным критерием, используемым сегодня для идентификации «подозрительных» объектов как чёрных дыр, является отсутствие у них признаков существования поверхности. Однако это обстоятельство не может служить аргументом против предлагаемого здесь альтернативного сценария эволюции – очень похоже должны выглядеть и описанные выше коллапсирующие, но не схлопнувшиеся в чёрную дыру, компактные звёзды.

Рис. 5. «Конкурент звездной черной дыры» – супермассивная черная дыра в центре галактики с джетами вещества и частиц и темным полевым поперечником в представлении художника-фантаста.

Есть и определённые указания в пользу предлагаемого сценария.

• В последние годы были замечены аномально мощные гамма-всплески, излучённые очень удалёнными (и, значит, достаточно молодыми) звёздными объектами. Выделяемая при этом гигантская энергия плохо вписывается в рамки обычных схем, используемых применительно к взрывам сверхновых, однако может ассоциироваться именно с процессами, обусловленными описанной фазовой неустойчивостью, которая неминуемо вызывает нагрев ядерной среды до экстраординарно высоких температур.

Рис. 6. Черная дыра с точки зрения физики – бесконечно глубокая потенциальная яма, падая в которую, вещество способно излучать гигантскую энергию.

• И, наконец, совсем недавно был обнаружен магнетар – нейтронная звезда с очень сильным магнитным полем, – имеющий, судя по всему, весьма массивную звезду-прародителя – не менее 40 солнечных масс. Согласно бытующим на сегодняшний день представлениям, в этом случае после взрыва сверхновой центральная часть звезды должна была давным-давно превратиться в недоступную прямому наблюдению чёрную дыру. Но этого не произошло.

Статья подготовлена Филипповым Ю.П. по материалам