Самые устойчивые объекты во Вселенной — нейтронные звезды, белые карлики и черные дыры — рано или поздно исчезнут. К такому выводу пришли авторы нового исследования, показавшие, что эти сверхплотные тела испаряются под действием квантовых эффектов, возникающих в искривленном пространстве-времени, даже в отсутствие горизонта событий, который ранее считался необходимым условием для излучения Хокинга.
В 1974 году британский физик-теоретик Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры могут испускать тепловое излучение и терять массу из-за квантового рождения пар частица — античастица у горизонта событий в соответствии с принципом сохранения энергии. Явление, объединяющее квантовую механику, Общую теорию относительности и термодинамику, получило название «излучение Хокинга» и изменило представление о черных дырах как о «вечных ловушках».
Однако именно с этим эффектом связан один из важнейших нерешенных вопросов современной физики — информационный парадокс, предложенный самим Хокингом. Если излучение не содержит сведений о поглощенных черной дырой объектах, то куда исчезает информация об их квантовых состояниях, когда космический «монстр» полностью испаряется? Нарушение принципа сохранения информации порождает парадокс и ставит под сомнение совместимость Общей теорией относительности с квантовой механикой.
Теперь авторы нового исследования предположили, что горизонт событий не единственное условие для испарения. Даже такие компактные объекты, как нейтронные звезды и белые карлики, могут постепенно терять массу из-за квантовых эффектов, возникающих в их гравитационном поле. В частности, кривизна пространства-времени, создаваемая массивным телом, может приводить к спонтанному рождению пар частиц — например, фотонов или гипотетических гравитонов — даже при отсутствии черной дыры.
Чтобы проверить гипотезу, международная исследовательская группа под руководством Михаэля Ф. Вондрака (Michael F. Wondrak) из Радбаудского университета (Нидерланды) смоделировала сферически симметричную звезду с постоянной плотностью, применив квантовую теорию поля в искривленном пространстве-времени.
Результаты показали, что такие объекты действительно теряют массу, хотя очень медленно. Например, нейтронная звезда массой примерно 1,4 солнечной может испариться за 10⁶⁸ лет — время, сравнимое с жизнью маломассивных черных дыр.
Ключевой вывод статьи в том, что скорость испарения зависит от плотности объекта: чем выше плотность, тем быстрее он испаряется. Поскольку плотность нейтронных звезд по показателям схожа с плотностью черных дыр, такие объекты испарятся в течение 10⁶⁷—10⁶⁸ лет. Для белых карликов, обладающих меньшей плотностью, эта величина возрастает до 10⁷⁸ лет, а сверхмассивные черные дыры, подобные той, что расположена в центре галактики M87, могут существовать до 10⁹⁴—10⁹⁶ лет.
Для наблюдения указанные сроки недостижимы — они в миллионы триллионов раз превышают возраст нашей Вселенной. Однако результаты показали, что звездные останки не вечны и могут испаряться без таких экзотических сценариев, как распад протонов или столкновение с другими объектами.
«Мы показали, что даже без горизонта событий массивные объекты не вечны. Кривизна пространства-времени действует как невидимый генератор частиц, медленно растворяя звезды в космосе», — пояснил один из авторов научной работы астрофизик Хейно Фалке (Heino Falcke).
Более того, этот эффект оказался универсальным: авторы исследования рассчитали даже испарение Луны: спутник Земли, согласно модели, исчезнет через 10⁸⁹ лет, а туманность или облако межзвездного газа — через 10¹²⁷ лет. Это, разумеется, лишь теоретические пределы, ведь реальная эволюция таких небесных тел сопровождается аккрецией, распадом и столкновениями. Тем не менее расчеты продемонстрировали, что гравитационное квантовое испарение неизбежно. Если, конечно, этому не помешают другие физические процессы.
Исследователи также отметили, что испарение не просто плавное исчезновение массы. На финальном этапе объект может стать нестабильным и взорваться, выбросив энергию в виде нейтрино и высокоэнергетических частиц. При этом новая модель сильно упрощена и не учитывает вращение или сложную структуру самых плотных объектов 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 выводы этой группы ученых верны, то разработанная модель может помочь в решении информационного парадокса и построении полной теории квантовой гравитации. Ранее физики предложили переосмыслить внутреннее строение черных дыр, представив их альтернативные модели без сингулярности и в ряде случаев горизонта событий.
Тем не менее в реальных астрофизических условиях — например, в центре галактик или даже в межзвездной среде — приток частиц извне может существенно превышать скорость квантового испарения. В таких случаях гравитационное поле объекта будет постепенно захватывать падающее вещество, компенсируя потери и фактически подавляя испарение. Значит, на практике звездные останки могут сохраняться дольше, чем предсказано в модели.