Кажется логичным представить черную дыру как вещество, которое сжали до некоторой критической плотности. Достигли нужного числа — и объект провалился внутрь себя. Но общая теория относительности устроена тоньше.Для появления горизонта событий важна не одна плотность, а то, сколько массы заключено в каком размере.
1. Черная дыра начинается с соотношения массы и радиуса
Если массу тела сосредоточить внутри достаточно малого радиуса, скорость, необходимая для ухода от него, достигает скорости света. В релятивистском описании возникает горизонт событий — граница, из-за которой наружу уже не может прийти сигнал.
У более массивной черной дыры радиус горизонта больше. Поэтому ее средняя плотность может быть меньше, чем у небольшой черной дыры. У сверхмассивных черных дыр расчетная средняя плотность внутри горизонта способна оказаться неожиданно низкой. Это важная подсказка:универсальной плотности включения черной дыры нет.
Средняя плотность к тому же не описывает состояние вещества после образования горизонта. Общая теория относительности предсказывает дальнейший коллапс, но в области экстремальных масштабов ожидается роль квантовой гравитации, завершенной теории которой у нас пока нет.
2. Что удерживает звезду до коллапса?
Обычную звезду поддерживает давление горячего газа и излучения. Когда топливо заканчивается, судьба ядра зависит от его массы. В белом карлике сжатию противостоит квантовое давление электронов. В нейтронной звезде вещество уплотняется примерно до ядерных масштабов, а опору дают квантовые эффекты и взаимодействия между частицами.
Нейтронная звезда сочетает массу, сравнимую с солнечной, и радиус в несколько десятков километров. Однако и у нее есть предел устойчивости, называемый пределом Толмена — Оппенгеймера — Волкова. Его точное значение зависит от неизвестного до концауравнения состояния сверхплотного вещества, то есть связи между плотностью и давлением.
Наблюдения массивных нейтронных звезд уже отсекли слишком «мягкие» модели вещества. Измерения массы и радиуса постепенно сужают диапазон. Но физики пока не могут уверенно сказать, что находится в самом центре: нейтроны, более экзотические частицы или новые состояния кваркового вещества.
Перед черной дырой природа как будто перебирает последние способы создать давление, способное удержать гравитацию.
3. Что происходит в последние мгновения?
Если ядро массивнее допустимого для устойчивой нейтронной звезды, равновесие исчезает. Коллапс идет очень быстро. Вещество уплотняется, пространство-время сильнее искривляется, и формируется горизонт событий.
Для далекого наблюдателя сигналы от падающего вещества все сильнее краснеют и замедляются. Для самого падающего вещества пересечение большого спокойного горизонта не обязано сопровождаться особой локальной отметкой.
В слиянии двух нейтронных звезд возможен промежуточный объект: горячая быстро вращающаяся сверхмассивная нейтронная звезда. Вращение и температура на короткое время помогают ей сопротивляться. Затем она может остыть, потерять угловой момент и коллапсировать.
4. Есть ли абсолютный предел плотности?
В проверенной физике нет установленного числа, после которого любое вещество при любых обстоятельствах обязано стать черной дырой. Есть пределы устойчивости конкретных объектов и условия образования горизонта.
Теоретическая планковская плотность обозначает масштаб, где привычные теории, вероятно, требуют квантового описания, но считать ее экспериментально доказанным «максимумом» нельзя.
Поэтому честный ответ звучит так: мы понимаем путь от звезды к коллапсу и наблюдаем его последствия, но финальное состояние вещества внутри черной дыры остается открытым вопросом. Граница знания оказывается не менее интересной, чем горизонт.
