Фрозары: что происходит со звездой на последней стадии гравитационного коллапса

Два времени одного коллапса

В понятии времени объединены два свойства физической реальности: темп протекания процессов и одновременное сосуществование частей протяжённой системы. Собственное время характеризует локальный темп процессов с данным объектом. Мировое время позволяет описывать состояние разных частей звезды в один и тот же момент.

Пока поле относительно слабое, различие невелико. Но при приближении поверхности к гравитационному радиусу собственные часы идут всё медленнее относительно мирового времени. Излучение всё сильнее краснеет, интервалы между сигналами растут, а дальнейшая эволюция вещества практически прекращается.

Это не обычная остановка движения. Локально вещество может оставаться горячим и динамичным, частицы продолжают двигаться и взаимодействовать. Застывает не вещество как таковое — застывает его эволюция в мировой временной шкале.

Звезда не исчезает за горизонтом

В ньютоновской гравитации время абсолютно и не зависит от силы тяготения. Поэтому коллапс естественно представлялся как падение всей звезды внутрь тёмной области с последующим сосредоточением вещества в центральной сингулярности. Так возник образ чёрной дыры.

В общей теории относительности ситуация иная. Рассмотрим концентрические слои падающей звезды. По мере сжатия их собственные времена замедляются всё сильнее. В глобальной системе отсчёта с мировым временем внутренние слои начинают застывать раньше внешних, а последней приближается к предельному состоянию поверхность.

Вещество не исчезает из мировой картины пространства-времени. Оно остаётся в тех слоях, где дальнейшая эволюция практически остановилась. Фрозар можно поэтому представить как гравитационный архив истории коллапса: чем глубже расположен слой, тем раньше его эволюция практически прекратилась относительно внешнего мира.

Почему «застывание» не означает холод

Название «застывшая звезда» не означает холодный или механически неподвижный объект. При коллапсе вещество сжимается и нагревается, а электроны, нуклоны и при соответствующих плотностях кварки могут находиться в релятивистском режиме.

Застывание относится к темпу собственного времени относительно мирового времени. Поэтому локально вещество может оставаться чрезвычайно горячим и динамичным, тогда как глобально его эволюция практически застыла.

Две причины замедления времени

На последних стадиях коллапса собственное время вещества замедляется по двум причинам. Первая — гравитационная: чем сильнее поле, тем медленнее идут локальные процессы относительно мирового времени. Вторая — кинематическая: чем ближе локальная скорость к скорости света, тем сильнее релятивистское замедление собственного времени.

В коллапсирующей звезде одновременно могут быть велики радиальные скорости падения, тепловые скорости частиц и тангенциальные скорости вращения. Поэтому предельное застывание усиливается совместным действием гравитационного и кинематического факторов.

Вращение и заряд: почему нельзя фиксировать полную массу

При переходе к вращающейся или заряженной звезде возникает ещё одна принципиальная проблема прежней чёрнодырной трактовки. Полную массу объекта считали неизменной при увеличении энергии вращения или энергии электрического поля.

Но энергия обладает массой. Если звезда получает дополнительную энергию вращения или создаёт более сильное электрическое поле, её полная энергия возрастает, а вместе с ней возрастает и полная масса. В теории фрозаров полная масса складывается из массы нейтрального невращающегося вещества и масс-эквивалентов энергии вращения и электрического поля.

Поэтому объекты с различными зарядами и угловыми моментами следует сравнивать при одной и той же исходной массе вещества, а не при искусственно фиксированной полной массе.

Почему вращение усиливает гравитацию

Вращение действительно создаёт центробежный эффект, препятствующий сжатию. Но его энергия одновременно увеличивает полную массу звезды и тем самым усиливает гравитацию.

Если увеличивать угловой момент при неизменной полной массе, возникает парадоксальное впечатление, будто вращение ослабляет гравитационные эффекты вплоть до их исчезновения и даже формальных антигравитационных режимов. Причина парадокса проста: в систему добавляется энергия вращения, но этой энергии не позволяют увеличить массу.

В теории фрозаров рост энергии вращения увеличивает полную массу и усиливает гравитацию. Одновременно сохраняются центробежный эффект и дополнительное кинематическое замедление времени из-за большой тангенциальной скорости. Поэтому вращение не отменяет гравитационного застывания.

Почему заряд тоже усиливает гравитацию

Большее электрическое поле содержит большую положительную энергию. Поэтому увеличение заряда увеличивает полную энергию и массу системы.

Если же заряд увеличивать, искусственно оставляя полную массу прежней, получается ложный вывод, будто заряд ослабляет гравитацию. Физически такая процедура означает, что одновременно должна уменьшаться другая часть энергии системы, то есть сравниваются уже разные звёзды.

В теории фрозаров рост заряда означает рост энергии электрического поля и полной массы. Электрическое отталкивание сохраняется, но оно не сопровождается искусственным уменьшением источника гравитации. Общий принцип прост: любая положительная энергия, добавленная к изолированной системе, увеличивает её полную массу.

Что остаётся видимым

Если поверхность фрозара практически застывает, почему сверхкомпактный объект может быть ярким? Потому что большая часть наблюдаемого излучения возникает не на поверхности, а в окружающем газе и плазме.

Аккреционный поток или диск нагревается, взаимодействует с магнитными полями и интенсивно излучает. Чем ближе источник света к поверхности фрозара, тем сильнее красное смещение, тем медленнее выглядят процессы и тем меньше доля фотонов, способных уйти наружу. Поэтому сама поверхность может быть почти невидимой, тогда как окружающая плазма остаётся чрезвычайно яркой.

Тень фрозара: «волосы» и даже «причёска»

Современные изображения сверхкомпактных объектов показывают тёмную центральную область — тень, окружённую ярким кольцом плазмы. Но сама по себе тень ещё не определяет внутреннюю природу объекта: она возникает прежде всего из-за сильного искривления траекторий света.

Здесь проявляется одно из главных различий между чёрнодырной и фрозарной картинами. В традиционной теории действует известный принцип: «чёрная дыра не имеет волос». После коллапса внешний объект определяется лишь несколькими глобальными параметрами — массой, зарядом и угловым моментом, а детали распределения вещества исчезают из внешней картины.

Фрозар устроен иначе. У него сохраняется реальная застывшая структура вещества. Образно говоря, фрозар имеет не только «волосы», но даже «причёску».

Сверхфрозар неоднороден уже при рождении

Сверхмассивный фрозар в центре галактики не обязан возникать в результате единственного сферического коллапса. При слияниях галактик их центральные сверхфрозары также сближаются и слипаются.

Слипание не уничтожает структуру предшественников. При сближении обращённые друг к другу области попадают во всё более сильное общее поле, их собственные времена замедляются, и дальнейшая перестройка постепенно застывает. Новый объект сохраняет неоднородности составляющих.

После нескольких таких событий крупный сверхфрозар становится гравитационным конгломератом, несущим память о последовательных слипании многих более мелких объектов.

Аккреция создаёт масконы

К исходной неоднородности добавляется последующая аккреция. Падающее вещество не исчезает за горизонтом, а достигает отдельных участков застывшей поверхности, сплющивается, не успевая полностью растечься, и само застывает.

Так возникают локальные избытки массы — масконы, по аналогии с областями повышенной концентрации массы на Луне. У реального сверхфрозара поэтому есть по меньшей мере два источника неоднородности: крупномасштабная структура после прежних слипаний и более мелкие масконы, созданные последующей аккрецией.

Неоднородная тень и более турбулентный диск

На больших расстояниях поле определяется главным образом полной массой объекта, но в непосредственной близости становятся существенными локальные неоднородности. Они должны немного менять траектории фотонов, поэтому граница тени реального сверхфрозара не обязана быть идеально гладкой.

Неоднородное поле влияет и на плазму. Проходя над более массивными участками поверхности, она получает дополнительные локальные ускорения; возникают сжатия, вихри и дополнительная турбулентность. Поэтому аккреционный поток около сверхфрозара должен быть сложнее, чем около идеально гладкого центрального объекта с теми же усреднёнными параметрами.

Локально нагретые области проявляются как яркие пятна. Такие неоднородности яркости уже видны на опубликованных изображениях M87* и Sagittarius A*. Сами по себе они ещё не доказывают существование масконов, поскольку могут возникать также из-за магнитных полей, турбулентности и релятивистского движения плазмы. Теория фрозаров добавляет новый возможный источник — неоднородность гравитационного поля самого центрального объекта.

От фотографии — к «кино»

Особенно важны не одиночные изображения, а длинные серии наблюдений. Случайная плазменная неоднородность сравнительно быстро появляется, движется и исчезает. Маскон или крупная неоднородность сверхфрозара из-за гравитационного застывания изменяется чрезвычайно медленно.

Поэтому следует искать не просто яркие пятна, а устойчивые области повышенной активности. Ещё сильнее была бы корреляция между локальными отклонениями границы тени и поведением плазмы в тех же направлениях. Такое «кино» окрестностей сверхфрозара может оказаться значительно информативнее одной фотографии.

Слипание вместо проваливания

Если поверхности двух фрозаров уже находятся в состоянии сильного гравитационного застывания, при их сближении общее поле усиливается ещё больше. Собственные времена наиболее близких участков замедляются, и процесс контакта развивается всё медленнее относительно внешнего мира.

Возникает гравитационное слипание. На ранней стадии система быстро меняется и излучает гравитационные волны, теряя часть энергии и углового момента. По мере образования нового сверхкомпактного объекта дальнейшая перестройка всё сильнее замедляется.

Результатом становится не исчезновение вещества в пустой области, а новый, более массивный и ещё более неоднородный фрозар.

Что могут показать гравитационные волны

Начальные стадии сближения сверхкомпактных объектов могут выглядеть сходно, поскольку определяются главным образом внешним полем. Поэтому наиболее интересна завершающая часть гравитационно-волнового сигнала.

Именно здесь становится существенным вопрос: исчезает ли материальная структура объектов или сохраняется при слипании и последующем застывании? По мере роста чувствительности детекторов можно искать слабые особенности поздней стадии сигнала, связанные со структурой слипающихся объектов и формированием общего фрозара.

Но всякая ли сверхплотная звезда сразу становится фрозаром?

Нет. Между устойчивой нейтронной звездой и предельно застывшим фрозаром может существовать промежуточное состояние, особенно для масс немного выше максимальной массы устойчивой нейтронной звезды.

Например, нейтронная звезда в двойной системе может постепенно накапливать вещество. После превышения предела устойчивости начинается дальнейшее сжатие, а плотность может стать настолько высокой, что само вещество перейдёт в новое состояние.

Кварковая материя и глоузар

При огромных плотностях возможен кварк-адронный фазовый переход. Вместо вещества, состоящего из отдельных протонов и нейтронов, возникает сверхплотная кварковая среда.

Если её давление на некоторое время способно удерживать дальнейшее сжатие, формируется квазистабильная сверхкомпактная звезда — глоузар.

Глоузар ещё не достиг предельного гравитационного застывания. Его радиус может быть близок к фотонному радиусу, где искривление света уже очень сильно, но собственные процессы внутри звезды ещё протекают достаточно быстро.

Почему глоузар должен быть очень горячим

При сжатии гравитационная энергия переходит во внутреннюю энергию вещества. В достаточно компактном глоузаре электроны, а при наличии кварковой фазы и кварки могут быть релятивистскими; их локальные скорости составляют заметную долю скорости света.

Поэтому в сравнительно небольшом объёме запасается огромная энергия релятивистского движения. Глоузар становится своеобразным резервуаром релятивистской энергии.

Релятивистский взрыв

Если квазистабильное состояние глоузара нарушается, значительная часть этой энергии может высвободиться за короткое собственное время. Это уже не обычный термоядерный взрыв: энергия заранее содержится в сверхплотной релятивистской среде.

Если структура кварковой материи быстро перестраивается или энергия релятивистских частиц переходит в излучение и движение внешних слоёв, выброс вещества также может стать релятивистским. Так возникает релятивистский взрыв.

Наиболее вероятен такой сценарий в сравнительно узкой области масс немного выше предела устойчивости нейтронной звезды: при меньшей массе звезда остаётся устойчивой, а при существенно большей промежуточная квазистабильная стадия может быть слишком короткой.

Как проверять фрозарную картину

Теория фрозаров приводит к нескольким независимым наблюдательным следствиям. Следует искать устойчивые неоднородности границы тени и долговременную структуру ярких областей аккреционного потока; исследовать позднюю стадию гравитационно-волновых сигналов; искать промежуточные сверхплотные объекты немного выше предела нейтронных звёзд и мощные кратковременные события, которые могут быть релятивистскими взрывами глоузаров.

Особенно ценным станет совпадение нескольких признаков. Например, если устойчивые неоднородности тени окажутся связанными с повторяющимися областями повышенной активности плазмы, два разных наблюдательных канала будут указывать на один и тот же источник — неоднородность поля центрального объекта.

Здесь нет двух равноправных теорий

Иногда вопрос формулируют так, будто существуют две равноправные модели — чёрная дыра и фрозар, а наблюдения когда-нибудь решат спор между ними. Но обе картины претендуют на описание одного и того же процесса в рамках одной и той же общей теории относительности, с теми же уравнениями и исходными физическими принципами.

Поэтому прежде всего должен быть решён теоретический вопрос: какая картина действительно следует из этих принципов? В теории фрозаров ответ получается при описании всей протяжённой звезды в одной глобальной системе отсчёта и рассмотрении всех её слоёв в один и тот же момент мирового времени.

Гравитационное замедление собственных времён нельзя отбросить именно тогда, когда оно становится предельным. Внутренние слои застывают раньше внешних, поверхность асимптотически приближается к гравитационному радиусу, а горизонт, который она должна была бы пересечь за конечное мировое время, не образуется. Так из ОТО получается фрозар.

В чём состоит ошибка чёрнодырной картины

Проблема состоит не в уравнениях ОТО, а в их физической интерпретации. Гравитационное замедление времени признаётся во внешнем поле, но затем глобальная эволюция вещества продолжается так, будто это замедление уже не препятствует дальнейшему коллапсу.

В одну картину соединяются две несовместимые логики: снаружи используется релятивистское пространство-время с замедлением собственных времён, а судьба вещества внутри фактически трактуется по дорелятивистской схеме продолжения падения через гравитационную границу.

Поэтому концепция чёрной дыры является не равноправной альтернативой фрозару внутри ОТО, а ошибочной физической трактовкой релятивистского коллапса. Аналогичная ошибка проявлялась при трактовке заряда и вращения, когда их энергия увеличивалась, но полная масса искусственно сохранялась неизменной.

Что тогда проверяют наблюдения

Наблюдения от этого не становятся менее важными — меняется их роль. Они не выбирают между двумя логически равноправными вариантами одной теории, а проверяют конкретные физические следствия последовательного применения ОТО.

Если образуется фрозар, должна сохраняться его материальная структура; сверхфрозары должны быть неоднородными из-за прежних слипаний и последующей аккреции; масконы должны влиять на тень и аккреционный поток; слияния должны сохранять структурную память; а в промежуточной области масс могут существовать глоузары и происходить релятивистские взрывы.

От чёрной дыры к застывшей звезде

Фрозарная картина не требует новой гравитационной теории. Она начинается с последовательного применения одного из основных эффектов ОТО — гравитационного замедления собственного времени.

В результате внутренние слои звезды застывают раньше внешних, поверхность всё медленнее приближается к гравитационному радиусу, а вещество не исчезает из физически существующего мира. Вращение и заряд не устраняют этот результат, поскольку их энергия входит в полную массу системы. Слияния приводят к слипанию, сохраняя неоднородную структуру. Немного выше предела устойчивости нейтронных звёзд могут существовать горячие глоузары, способные породить релятивистские взрывы.

Так возникает единая картина релятивистских компактных объектов, следующая из физических принципов общей теории относительности.

Ошибка и наука

История физики показывает, что даже великая теория не защищает от ошибочной интерпретации её уравнений. Сам факт длительного существования некоторого представления ещё не превращает его в физический принцип. Решающим остаётся соответствие исходным принципам теории и последовательной логике.

Поэтому пересмотр концепции чёрной дыры не означает отказа от общей теории относительности. Напротив, речь идёт о последовательном применении её физических принципов именно там, где релятивистские эффекты становятся предельными.

Здесь уместна мысль П. Л. Капицы: ошибка ещё не есть псевдонаука; псевдонаука начинается с непризнания ошибки.

Теоретическая задача состоит в последовательном применении общей теории относительности. Наблюдательная задача следующего этапа — искать и измерять конкретные свойства объектов, которые из такого применения следуют.

Если общая теория относительности применяется последовательно, конечным результатом релятивистского коллапса является не чёрная дыра, а фрозар.