Самые загадочные космические объекты: как устроены невероятные звезды Бухдаля
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.
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 Бухдаля
В 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.