Нейтронная звезда может оказаться в черной дыре: неожиданные открытия астрофизиков

При определённых условиях экзотическое гало тёмной материи, окружая нейтронную звезду, формирует горизонт событий, в то время как сама звезда продолжает существовать внутри него и остаётся неизменной, а чёрная дыра образуется за счёт совместного воздействия звезды и тёмной материи.

Согласно классической концепции, после пересечения горизонта событий чёрной дыры материя неизменно движется к сингулярности — области, где плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными, и известные уравнения перестают давать физически приемлемые результаты. Чэнь Тан (Chen Tan) и Юн-Цян Ван (Yong-Qiang Wang) из Ланьчжоуского университета исследовали альтернативный сценарий: что произойдёт, если в центре чёрной дыры окажется не сингулярность, а нейтронная звезда.

Их работа посвящена нейтронной звезде, окружённой специфическим гало тёмной материи. Это теоретическая модель тёмной материи с анизотропным давлением (зависящим от направления), описываемая математической функцией, задающей распределение плотности вещества. Ранее было установлено, что такое распределение при определённых обстоятельствах может приводить к образованию чёрной дыры с горизонтом событий, но без сингулярности в центре.

Тан и Ван решили исследовать, что произойдёт, если в такое гало поместить обычную нейтронную звезду. В своих расчетах они применили модифицированные уравнения общей теории относительности, которые описывают структуру находящейся в равновесии плотной звезды. Расчёты были проведены для двух уравнений состояния ядерного вещества, связывающих плотность вещества с его давлением.

Выяснилось, что результат зависит от плотности гало. При слишком разреженном гало горизонт событий не формируется: остаётся нейтронная звезда, окружённая облаком тёмной материи, при этом сама звезда немного деформируется. В случае слишком плотного гало гидростатическое равновесие нарушается, и устойчивое решение становится недоступным. Между этими режимами существует определённое окно параметров, в рамках которого возникает необычная конфигурация.

В этом случае величина, связанная с обратной компонентой радиальной метрики, меняет знак за пределами поверхности звезды. Это физически соответствует образованию горизонта событий в сферической оболочке вокруг неё. В одном из рассмотренных сценариев поверхность нейтронной звезды расположена 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 данной модели образуется за счёт совместного гравитационного воздействия нейтронной звезды и тёмной материи, причём вклад обеих компонентов в массу объекта оказывается сопоставимым. Авторы также подчеркивают, что конфигурация занимает довольно широкую область исследованного пространства параметров, что позволяет считать её не численным артефактом, а полноценным математическим решением модели.

Тем не менее, это не означает, что подобные объекты уже обнаружены в Вселенной. Плотность тёмной материи, необходимая для формирования этой конфигурации, значительно превышает значения, которые обычно предсказывают существующие астрофизические модели. Поэтому работа остаётся теоретической. Более того, пока не ясно, 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 требует дальнейшего исследования.