Нейтронная звезда может оказаться внутри чёрной дыры — но не в результате коллапса

В классическом представлении после пересечения горизонта событий чёрной дыры материя неизбежно движется к сингулярности — области, где плотность и кривизна пространства-времени формально становятся бесконечными, а известные уравнения перестают давать физически осмысленный ответ. Чэнь Тан (Chen Tan) и Юн-Цян Ван (Yong-Qiang Wang) из Ланьчжоуского университета рассмотрели другой вариант: что произойдёт, если в центре чёрной дыры окажется не сингулярность, а нейтронная звезда.

Их работа рассматривает нейтронную звезду, погружённую в особое гало тёмной материи. Речь идёт о теоретической модели тёмной материи с анизотропным давлением (зависящим от направления), описываемой математической функцией, задающей распределение плотности вещества. Ранее было показано, что такое распределение при определённых условиях способно создавать чёрную дыру с горизонтом событий, но без сингулярности в центре.

Тан и Ван решили проверить, что произойдёт, если в такое гало поместить обычную нейтронную звезду. Для расчётов они использовали модифицированные уравнения общей теории относительности, описывающие структуру находящейся в равновесии плотной звезды. Расчёты провели для двух уравнений состояния ядерного вещества, связывающих плотность вещества с его давлением.

Источник: Event Horizon Telescope Collaboration

Оказалоь, что результат зависит от плотности гало. При слишком разреженном гало горизонт событий не возникает: остаётся нейтронная звезда с окружающим её облаком тёмной материи, причём сама звезда немного деформируется. При слишком плотном гало гидростатическое равновесие нарушается и устойчивого решения уже не существует. А между этими режимами существует определённое окно параметров, в котором возникает необычная конфигурация.

В этом случае величина, связанная с обратной компонентой радиальной метрики, меняет знак за пределами поверхности звезды. Физически это соответствует появлению горизонта событий в сферической оболочке вокруг неё. В одном из рассмотренных вариантов поверхность нейтронной звезды находится примерно на расстоянии 8,5 км от центра, а область с горизонтом начинается примерно на 10–12 км. При этом сама звезда не коллапсирует: внутри горизонта сохраняется её обычная структурированная конфигурация без сингулярности. Авторы назвали такой объект «нейтронной звездой в чёрной дыре».

Горизонт в этой модели создаётся совместным гравитационным воздействием нейтронной звезды и тёмной материи, причём вклад двух компонентов в массу объекта оказывается сопоставимым. Авторы также отмечают, что конфигурация занимает достаточно широкую область исследованного пространства параметров, поэтому считают её не численным артефактом, а полноценным математическим решением модели.

Однако это не означает, что такие объекты уже обнаружены во Вселенной. Плотность тёмной материи, необходимая для формирования конфигурации, значительно выше значений, которые обычно предсказывают существующие астрофизические модели. Поэтому работа остаётся теоретической. Кроме того, пока что неизвестно, может ли «нейтронная звезда в чёрной дыре» быть отличима в данных наблюдений от обычной чёрной дыры и оставляет ли находящаяся за горизонтом структура какие-либо измеримые внешние признаки. Авторы также указывают, что устойчивость такой системы к радиальным возмущениям ещё предстоит исследовать.

©  iXBT