Даже самые долговечные объекты во Вселенной, такие как нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры, не вечны и со временем исчезнут. К такому заключению пришли ученые, проведшие исследование, которое продемонстрировало, что эти объекты с экстремальной плотностью подвержены испарению из-за квантовых эффектов, проявляющихся в искривленном пространстве-времени. При этом, ранее считалось, что для излучения Хокинга необходим горизонт событий.
В 1974 году британский физик-теоретик Стивен Хокинг спрогнозировал, что черные дыры способны излучать тепло и уменьшать свою массу. Это связано с квантовым процессом образования пар «частица-античастица» вблизи горизонта событий, что соответствует закону сохранения энергии. Данное явление, сочетающее квантовую механику, Общую теорию относительности и термодинамику, известно как «излучение Хокинга» и перевернуло устоявшееся представление о черных дырах как о неизменных «ловушках».
Именно этот эффект породил один из ключевых нерешенных вопросов современной физики – информационный парадокс, сформулированный самим Хокингом. Если излучение не несет информации о тех объектах, что были поглощены черной дырой, то что происходит с данными о квантовых состояниях этих объектов, когда космический «монстр» полностью исчезает? Нарушение принципа сохранения информации создает противоречие и ставит под вопрос возможность совместного существования Общей теории относительности и квантовой механики.
Авторы недавнего исследования высказали предположение, что для испарения не обязательно наличие горизонта событий. Даже относительно небольшие объекты, такие как нейтронные звезды и белые карлики, способны постепенно уменьшать свою массу под воздействием квантовых эффектов, возникающих в их гравитационном поле. В частности, искривление пространства-времени, обусловленное массивным телом, может вызывать спонтанное образование пар частиц, например, фотонов или гипотетических гравитонов — даже при отсутствии черной дыры.
Для проверки выдвинутой гипотезы международная группа ученых во главе с Михаэлем Ф. Вондраком из Радбаудского университета (Нидерланды) создала компьютерную модель сферически симметричной звезды с постоянной плотностью, используя квантовую теорию поля в искривленном пространстве-времени.
Анализ продемонстрировал, что эти объекты постепенно уменьшаются в массе. К примеру, нейтронной звезде с массой, составляющей около 1,4 солнечной массы, потребуется 10⁶⁸ лет, чтобы полностью испариться – это сопоставимо со временем существования маломассивных чёрных дыр.
Основной тезис статьи заключается в том, что скорость испарения определяется плотностью вещества: более плотные объекты испаряются быстрее. Учитывая, что плотность нейтронных звезд сопоставима с плотностью черных дыр, их испарение займет от 10⁶⁷ до 10⁶⁸ лет. Для белых карликов, характеризующихся меньшей плотностью, этот срок увеличивается до 10⁷⁸ лет, в то время как сверхмассивные черные дыры, такие как та, что находится в центре галактики M87, могут просуществовать до 10⁹⁴—10⁹⁶ лет.
Указанные сроки для наблюдения попросту недостижимы, поскольку они во много раз превышают возраст всей известной нам Вселенной. Тем не менее, полученные данные свидетельствуют о том, что звездные остатки не существуют вечно и способны исчезать, не прибегая к таким необычным процессам, как распад протонов или столкновения с другими небесными телами.
«Наши исследования продемонстрировали, что даже объекты, не имеющие горизонта событий, не могут существовать вечно. Искривление пространства-времени оказывает воздействие, подобное невидимому источнику частиц, постепенно рассеивая звезды в космическом пространстве», — пояснил один из авторов научной работы астрофизик Хейно Фалке (Heino Falcke).
К тому же, этот эффект имеет общий характер: исследователи даже оценили время исчезновения Луны – по их модели, спутник Земли прекратит существование через 10⁸⁹ лет, а межзвездное облако газа – через 10¹²⁷ лет. Естественно, это лишь теоретические границы, поскольку фактическая эволюция подобных объектов сопряжена с аккрецией, распадом и столкновениями. Однако расчеты подтвердили, что гравитационное квантовое испарение – процесс закономерный. Если, конечно, ему не препятствуют другие физические явления.
По мнению ученых, испарение – это не просто постепенная потеря массы. На заключительном этапе объект может потерять устойчивость и взорваться, высвободив энергию в виде нейтрино и частиц с высокой энергией. Следует отметить, что предложенная модель значительно упрощена, поскольку не рассматривает вращение или сложную структуру наиболее плотных образований, существующих во Вселенной.
Результаты научной работы, опубликованной на сервере препринтов Корнеллского университета, уже стали причиной оживленных дискуссий в академическом сообществе. Вондрак и коллеги, однако, надеются, что дальнейшие расчеты и наблюдения помогут понять, как описанные ими процессы влияют на Вселенную в долгосрочной перспективе.
Если оценки, сделанные этими исследователями, соответствуют действительности, то предложенная модель способна разрешить информационный парадокс и стать основой для создания всеобъемлющей теории квантовой гравитации. До этого момента физики предложили переосмыслить внутреннее строение черных дыр, представив их альтернативные модели без сингулярности и в ряде случаев горизонта событий.
В действительности, в условиях, характерных для астрофизических объектов, таких как центры галактик или межзвездная среда, поступление вещества извне может значительно превосходить скорость квантового испарения. В подобных ситуациях гравитационное поле объекта будет последовательно притягивать падающее вещество, тем самым восполняя потери и, по сути, препятствуя испарению. Таким образом, звездные останки на практике могут существовать дольше, чем это прогнозируется теоретической моделью.