Кварк-глюонная звезда вместо чёрной дыры: новый взгляд на гравитационный коллапс

Автор: Денис Аветисян

Теоретическое исследование показывает, что сильные магнитные поля и свойства кварк-глюонной плазмы могут предотвратить образование сингулярности и привести к образованию ультракомпактного объекта — кварк-глюонной звезды.

Исследование зависимости массы от радиуса для модели QGP-звезды, основанное на уравнении состояния MIT Bag Model и теории нелинейной электродинамики Борна-Инфельда, демонстрирует отсутствие верхнего предела массы для гипермассивных QGP-звезд (до <span class="katex-eq" data-katex-display="false">7\,M_{\odot}</span>), что позволяет предположить возможность формирования компактных объектов с широким спектром масс, включая сверхмассивные тела, наблюдаемые в центрах галактик. — Исследование зависимости массы от радиуса для модели QGP-звезды, основанное на уравнении состояния MIT Bag Model и теории нелинейной электродинамики Борна-Инфельда, демонстрирует отсутствие верхнего предела массы для гипермассивных QGP-звезд (до $7\,M_{\odot}$ ), что позволяет предположить возможность формирования компактных объектов с широким спектром масс, включая сверхмассивные тела, наблюдаемые в центрах галактик.

Асимптотическая свобода и вакуумная поляризация определяют конечную стадию релятивистского гравитационного коллапса, предлагая альтернативу чёрным дырам.

Несмотря на устоявшиеся представления о сингулярности в финальной стадии гравитационного коллапса, альтернативные сценарии остаются предметом активных исследований. В работе ‘Asymptotic Freedom and Vacuum Polarization Determine the Astrophysical End State of Relativistic Gravitational Collapse: Quark—Gluon Plasma Star Instead of Black Hole’ предложена релятивистская модель ультракомпактных объектов — QGP-звезд, поддерживаемых балансом между гравитационным сжатием, сильными магнитными полями и квантовыми эффектами, такими как асимптотическая свобода и поляризация вакуума. Показано, что эти объекты, с массой $0\lesssim M^{\rm{QGP}}_{\rm{Star}}\lesssim 7\,M_\odot$ и радиусом $0\lesssim R^{\rm{QGP}}_{\rm{Star}}\lesssim 24\,km$ , могут представлять собой конечную стадию эволюции массивных звезд, избегая образования горизонта событий. Способны ли QGP-звезды объяснить наблюдаемые гравитационные волны и явления гравитационного линзирования, открывая новое окно в изучение экстремальных состояний материи?

За гранью нейтронных звезд: Новое состояние материи

Традиционные представления об эволюции массивных звёзд предсказывают их коллапс в чёрные дыры или нейтронные звезды, однако, существует альтернативный сценарий — формирование стабильной, самосвязанной звезды из кварк-глюонной плазмы (КГП). В отличие от компактных объектов, удерживаемых ядерными силами, КГП-звезда представляет собой состояние материи, где кварки и глюоны не заключены в адроны, а образуют коллективное состояние. Предполагается, что при экстремальных плотностях и температурах, возникающих в недрах массивной звезды, происходит фазовый переход, приводящий к деконфайнменту кварков и формированию КГП. Эта гипотетическая звезда удерживается не гравитацией, а давлением, создаваемым взаимодействием кварков и глюонов, что потенциально позволяет избежать сингулярности, характерной для чёрных дыр, и может объяснить существование компактных объектов с массой, превышающей предел Толмана-Оппенгеймера-Волкова, установленный для нейтронных звёзд.

Традиционные гравитационные модели, такие как метрика Шварцшильда, оказываются недостаточными для адекватного описания экстремальных плотностей и взаимодействий, возникающих внутри звезды из кварк-глюонной плазмы (КГП). Это связано с тем, что КГП характеризуется совершенно иным уравнением состояния, нежели обычная нейтронная звезда, и требует учета сильных взаимодействий между кварками и глюонами. В результате, стандартные решения уравнений Эйнштейна, описывающие гравитационное поле вокруг компактных объектов, приводят к физически нереалистичным результатам, например, к сингулярностям или нестабильным конфигурациям. Для корректного моделирования КГП-звезды необходимо разработать новую теоретическую базу, включающую модифицированные уравнения состояния и, возможно, пересмотр самой геометрии пространства-времени, учитывающий коллективное поведение кварков и глюонов при сверхвысоких плотностях.

Формирование звезды из кварк-глюонной плазмы (КГП) напрямую связано с начальными условиями сверхмассивного нейтронного ядра, остающегося после взрыва сверхновой. Преодоление тенденции к гравитационному коллапсу требует специфической комбинации вращения и сильных взаимодействий между кварками и глюонами. Согласно разработанной модели, стабильная конфигурация КГП-звезды возможна при массе до семи солнечных масс. Этот предел обусловлен балансом между гравитационным сжатием и давлением, создаваемым дегенерированной кварк-глюонной материей. Дальнейшие исследования направлены на уточнение параметров, необходимых для возникновения и поддержания стабильности таких объектов во Вселенной.

Данный график отображает область существования протонейтронных звезд, фазового перехода деконфайнмента, кварк-глюонной плазмы, полученной в столкновениях тяжелых ионов, и предельного значения, рассчитанного в рамках решетчатой квантовой хромодинамики, при этом обозначение Z3-симметрии было предложено авторами источника.

Асимптотическая свобода и сильное взаимодействие

Квантовая хромодинамика (КХД) описывает взаимодействия внутри звезды из кварк-глюонной плазмы (КГП), демонстрируя свойство, называемое асимптотической свободой. Это явление заключается в ослаблении сильного взаимодействия между кварками и глюонами на малых расстояниях, что препятствует немедленному гравитационному коллапсу звезды. В КХД, сила сильного взаимодействия уменьшается с уменьшением расстояния между взаимодействующими частицами, в отличие от электромагнитного взаимодействия, которое остается постоянным или возрастает. Это свойство позволяет кваркам и глюонам вести себя почти как свободные частицы при высоких энергиях и плотностях, характерных для КГП звезды, предотвращая формирование плотного ядра и обеспечивая её относительную стабильность. Асимптотическая свобода является ключевым фактором, определяющим уравнение состояния КГП звезды.

Стабильность кварк-глюонной плазменной звезды (QGP) обеспечивается проявлением асимптотической свободы, ключевого свойства сильного взаимодействия. При экстремально высоких плотностях, характерных для QGP, взаимодействие между кварками и глюонами становится менее интенсивным, что предотвращает мгновенный гравитационный коллапс. Этот эффект обусловлен тем, что эффективная сила сильного взаимодействия уменьшается с уменьшением расстояния между кварками и глюонами, что позволяет частицам сохранять относительную свободу движения и препятствует формированию тесно связанных состояний. $\alpha_s(Q^2) \approx \frac{12\pi}{25 \ln(Q^2/\Lambda^2_{QCD})}$ — приближенное выражение, описывающее зависимость константы сильного взаимодействия $\alpha_s$ от энергетической шкалы $Q^2$ , где $\Lambda_{QCD}$ — параметр, определяющий шкалу энергий, при которых сильное взаимодействие становится сильным.

Уравнение состояния внутри QGP-звезды напрямую определяется поведением сильного взаимодействия, описываемого квантовой хромодинамикой (КХД). Наши расчеты, учитывающие ослабление сильного взаимодействия на коротких расстояниях (асимптотическая свобода), предсказывают максимальный радиус QGP-звезды, не превышающий 24 км. Данное ограничение обусловлено балансом между гравитационным сжатием и давлением, создаваемым взаимодействующими кварками и глюонами, и является ключевым параметром, определяющим стабильность и наблюдаемые характеристики этих объектов. Полученное значение согласуется с существующими астрофизическими наблюдениями и теоретическими моделями компактных объектов.

График показывает зависимость притягивающего (зеленая кривая) и отталкивающего (красная кривая) потенциалов <span class="katex-eq" data-katex-display="false">V(r)</span> от расстояния <span class="katex-eq" data-katex-display="false">r</span> для взаимодействия в квантовой хромодинамике (взято из работы [27]). — График показывает зависимость притягивающего (зеленая кривая) и отталкивающего (красная кривая) потенциалов $V(r)$ от расстояния $r$ для взаимодействия в квантовой хромодинамике (взято из работы [27]).

Магнетизм и нелинейная электродинамика

В условиях экстремальной плотности и давления внутри кварк-глюонной звезды (КГП) формируются чрезвычайно сильные магнитные поля, интенсивность которых может достигать уровней, характерных для магнитаров. Измерения и теоретические модели показывают, что напряженность этих полей варьируется в диапазоне от $10^{18}$ до $10^{22}$ Гаусс (G). Такая высокая концентрация магнитного поля обусловлена процессами, происходящими в сверхплотной плазме кварков и глюонов, и существенно влияет на структуру и стабильность звезды, оказывая значительное давление на противовес гравитационному коллапсу.

Нелинейная электродинамика (НЭД), в частности, эффект поляризации вакуума в НЭД, обеспечивает наличие отталкивающего давления, противодействующего гравитационному коллапсу звезды. Этот эффект возникает из-за нелинейности электромагнитного поля при экстремальных интенсивностях, приводящей к возникновению эффективной «энергии вакуума», которая создает отрицательное давление. Данное давление пропорционально $F_{\mu\nu}F^{\mu\nu}$ и, таким образом, возрастает с увеличением напряженности магнитного поля, что позволяет стабилизировать звезду, предотвращая её полное сжатие под действием гравитации. Эффективность стабилизации напрямую зависит от величины напряженности магнитного поля и свойств используемой модели НЭД.

Лагранжиан Борна-Инфельда (Born-Infeld Lagrangian) предоставляет надежный математический аппарат для моделирования поведения экстремальных магнитных полей и их влияния на пространство-время. В отличие от классической электродинамики, которая испытывает трудности при описании полей, превышающих критическую величину $B_c \approx 4.4 \times 10^9 \text{ G}$ , лагранжиан Борна-Инфельда позволяет избежать сингулярностей и описывать насыщенные магнитные поля, характерные для квазизвездных объектов. Он вводит нелинейные поправки к тензору электромагнитного поля, ограничивающие его величину и предотвращающие бесконечные значения энергии. В рамках этого подхода, энергия электромагнитного поля выражается как функция инварианта электромагнитного поля, что позволяет корректно описывать вклад сильных магнитных полей в гравитационную массу и стабильность объекта.

Наблюдаемое гравитационное красное смещение поверхности <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z_{Grav}</span> экспоненциально возрастает с увеличением напряженности магнитного поля до <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^{20}</span> Гс, но, в отличие от черных дыр, не достигает бесконечности. — Наблюдаемое гравитационное красное смещение поверхности $z_{Grav}$ экспоненциально возрастает с увеличением напряженности магнитного поля до $10^{20}$ Гс, но, в отличие от черных дыр, не достигает бесконечности.

Модифицированное пространство-время: Эффективная метрика

Сильные магнитные поля и нелинейные электродинамические эффекты, присутствующие вокруг кварк-глюонной плазмы, приводят к заметной деформации пространственно-временной структуры. В отличие от стандартной метрики Шварцшильда, описывающей гравитационное поле невращающейся сферически-симметричной массы, вокруг КГП-звезды формируется так называемая эффективная метрика. Эта модификация обусловлена тем, что электромагнитные поля вносят вклад в общую энергию-импульс, тем самым изменяя геометрию пространства-времени. Следовательно, гравитационное поле вокруг КГП-звезды становится более сложным, требующим использования модифицированной метрики для точного описания взаимодействия света и материи вблизи этого экзотического объекта. Исследование этой эффективной метрики критически важно для понимания наблюдаемых астрофизических явлений, связанных с КГП-звездами.

Изучение пространства-времени вокруг квазизвезды из кварк-глюонной плазмы выявило значительные отклонения от стандартной метрики Шварцшильда, обусловленные мощными магнитными полями и нелинейными диэлектрическими эффектами. Наблюдаемое гравитационное красное смещение света, испускаемого этой квазизвездой, напрямую связано с этой модифицированной структурой пространства-времени. Проведенные расчеты демонстрируют четкую зависимость между силой магнитного поля и величиной красного смещения: с увеличением напряженности магнитного поля, величина гравитационного красного смещения неуклонно возрастает. Это указывает на то, что магнитные поля играют ключевую роль в определении гравитационных свойств квазизвезд из кварк-глюонной плазмы, и понимание этой взаимосвязи необходимо для интерпретации астрономических наблюдений и построения адекватных моделей их структуры. $z = \frac{\lambda_{observed} - \lambda_{emitted}}{\lambda_{emitted}}$

Для адекватного моделирования структуры кварк-глюонной плазменной звезды необходимо решать уравнение Толмана-Оппенгеймера-Волкова (TOV) с учетом модифицированной эффективной метрики. Традиционное решение TOV предполагает статичную, сферически-симметричную метрику, однако, сильные магнитные поля, присутствующие вокруг звезды, существенно искажают геометрию пространства-времени. Применение эффективной метрики, учитывающей эти искажения, позволяет получить более точное описание распределения плотности и давления внутри звезды, а также предсказать её массу и радиус. Решение TOV с модифицированной метрикой представляет собой сложную математическую задачу, требующую численных методов, но является ключевым шагом для понимания стабильности и эволюции этих экстремальных астрофизических объектов. Полученные результаты позволяют сопоставить теоретические предсказания с наблюдаемыми характеристиками, такими как поверхностное гравитационное красное смещение, и получить ценную информацию о физике кварк-глюонной материи при сверхвысоких плотностях и магнитных полях.

Деформация и структура КГП-звезды

Звезда из кварк-глюонной плазмы (КГП) не обладает идеальной сферической формой; её геометрия подвержена деформации, обусловленной анизотропией магнитных полей и внутренних давлений. В отличие от традиционных звезд, где гравитация доминирует в определении формы, в КГП-звездах сильные магнитные поля, возникающие из-за экстремальных условий, оказывают существенное влияние на структуру материи. Анизотропия этих полей, то есть их различная интенсивность в разных направлениях, создает неравномерное давление, приводящее к отклонению от сферической симметрии. Внутренние давления, связанные с высокой плотностью КГП, также вносят вклад в этот процесс, усугубляя деформацию и формируя сложные, нетривиальные структуры. Степень деформации напрямую зависит от соотношения между магнитным давлением, давлением КГП и гравитационными силами, что делает изучение этой взаимосвязи ключевым для понимания физики этих экзотических объектов.

Понимание сложного взаимодействия между внутренним строением звезды из кварк-глюонной плазмы, геометрией её магнитного поля и возникающей деформацией имеет первостепенное значение для точного моделирования наблюдаемых характеристик этого экзотического объекта. Именно эта взаимосвязь определяет, какие сигналы, например, в виде гравитационных волн или электромагнитного излучения, достигают детекторов. Деформация, вызванная анизотропией магнитного поля и внутренним давлением, влияет на распределение массы и энергии внутри звезды, что, в свою очередь, модулирует её наблюдаемые свойства. Более того, точное описание этого взаимодействия позволяет соотнести теоретические модели с астрономическими наблюдениями, открывая возможность изучения фундаментальных свойств кварк-глюонной материи в экстремальных условиях, недостижимых в земных лабораториях. Таким образом, анализ деформации звезды является ключевым инструментом для расшифровки её внутреннего устройства и роли во Вселенной.

Более глубокое исследование уравнения состояния кварк-глюонной плазмы и нелинейных электродинамических эффектов представляется ключом к раскрытию природы этих экзотических объектов. Установление точной зависимости между давлением, плотностью и температурой кварк-глюонной материи, а также учет искажений пространства-времени, вызванных сильными магнитными полями, позволит создать более адекватные модели QGP-звезд. Изучение нелинейных эффектов, возникающих при экстремальных магнитных полях, способно пролить свет на механизмы генерации и поддержания этих полей, а также на их влияние на структуру и эволюцию звезды. В конечном итоге, эти исследования позволят не только лучше понять природу QGP-звезд, но и расширить знания о фундаментальных свойствах материи в самых экстремальных условиях Вселенной, возможно, раскрывая новые аспекты ранней Вселенной и процессов, происходящих в ядрах активных галактик.

Исследование демонстрирует, как сложные взаимодействия между гравитационным коллапсом, магнитными полями и свойствами кварк-глюонной плазмы могут привести к формированию альтернативных астрофизических объектов — звезд КГП, избегая сингулярности, предсказанной общей теорией относительности. Подобно тому, как понимание системы требует исследования её закономерностей, данная работа раскрывает мир ультракомпактных объектов через анализ баланса сил, определяющих их конечное состояние. Как говорил Генри Дэвид Торо: «В дикой природе нет ничего совершенного. И всё же всё совершенно» — эта фраза отражает идею о том, что даже в экстремальных условиях, таких как гравитационный коллапс, существуют внутренние закономерности и равновесия, определяющие структуру и эволюцию этих объектов.

Что дальше?

Представленная модель звезды из кварк-глюонной плазмы, безусловно, предлагает альтернативу сингулярности, столь любимой классической общей теорией относительности. Однако, не стоит забывать, что устойчивость этой структуры — вопрос далеко не решенный. Требуется детальное исследование нелинейных эффектов в сильных магнитных полях и проверка возможности существования долгоживущих конфигураций, способных противостоять гравитационному коллапсу на протяжении астрофизических временных масштабов. Ошибки в текущих моделях — не провалы, а, скорее, указатели на пробелы в понимании.

Особое внимание следует уделить проверке предсказаний данной модели с помощью астрофизических наблюдений. Различия в спектрах излучения, гравитационных волнах или даже в поведении аккреционного диска вокруг таких объектов могут стать ключевыми индикаторами существования QGP-звезд. Важно помнить, что визуальные данные — лишь отражение лежащих в их основе закономерностей, а их интерпретация требует строгого логического анализа.

Дальнейшее развитие теории потребует более глубокого освоения нелинейной электродинамики в экстремальных условиях, а также учета эффектов, связанных с вращением и турбулентностью в кварк-глюонной плазме. Возможно, ключ к пониманию этих объектов кроется не в поиске окончательной теории, а в непрерывном уточнении и пересмотре существующих моделей, принимая во внимание, что сама система постоянно эволюционирует и предлагает новые загадки.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.07004.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-10 13:08