Фантомы и химеры Вселенной. Бонус: Бозонные звёзды
Чёрная дыра поглощает всё. Из неё ничего не выходит. Её тень непроницаема.
Но что если объект той же массы, с тем же гравитационным полем, с той же тенью на снимке — окажется насквозь прозрачным? Не чёрным, а буквально стеклянным. Свет проходит сквозь него. Горизонта нет. Сингулярности нет.
Такой объект называется бозонной звездой. Он не сделан из протонов, нейтронов или кварков. Он сделан из ничего, что мы когда-либо обнаруживали — из гипотетических сверхлёгких бозонов, чья масса в миллиарды раз меньше массы электрона.
Если они существуют, мы уже могли их сфотографировать. Просто не поняли, что видим.
Звезда не из вещества
Обычная звезда — это фермионы. Протоны, нейтроны, электроны — все они подчиняются принципу Паули: два одинаковых фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Именно это давление вырождения не даёт нейтронной звезде схлопнуться в точку.
Бозоны устроены иначе. Они могут занимать одно и то же состояние сколько угодно — это и есть конденсат Бозе–Эйнштейна, знакомый из лабораторий. Охлаждённые атомы рубидия, все в одном квантовом состоянии, ведут себя как одна волна.
Теперь представьте то же самое — но в масштабах звезды. Триллионы гипотетических сверхлёгких бозонов, собранных гравитацией в один гигантский квантовый объект. Никаких ядерных реакций. Никакого излучения в видимом диапазоне. Никакого горизонта событий.
Бозонная звезда не «горит». Она просто существует — как стоячая квантовая волна, удерживаемая собственной гравитацией.
GW190521: два объекта, которые не должны были встретиться
3 мая 2019 года детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационный сигнал. Официальная интерпретация: слияние двух чёрных дыр массой 85 и 66 солнечных, результат — чёрная дыра промежуточной массы в 142 солнечных.
Проблема: чёрная дыра в 85 масс Солнца попадает в «запрещённую зону» — диапазон от примерно 60 до 130 масс Солнца, где звёздная эволюция по стандартным моделям не производит чёрных дыр. Там массивные звёзды не коллапсируют — они разрываются в гигантских термоядерных вспышках, не оставляя компактных остатков. Слишком тяжёлая для одиночного коллапса, слишком лёгкая для слияния известных объектов. Откуда она взялась?
В 2020 году группа физиков предложила другой ответ: это были не чёрные дыры. Это были две бозонные звёзды.
Их модель показала: слияние бозонных звёзд даёт более «тихий» гравитационный сигнал, точнее соответствующий наблюдаемому. Запрещённой зоны нет — бозонные звёзды не образуются через звёздную эволюцию. А масса гипотетического бозона в этой конкретной модели оказалась примерно в 10¹³ раз меньше массы электрона — если бы электрон был размером с Землю, этот бозон был бы размером с бактерию. Типичный кандидат на роль тёмной материи.
Официально GW190521 остаётся слиянием компактных объектов. Природа этих объектов — открытый вопрос.
Прозрачная чёрная дыра
Главная странность бозонной звезды — она прозрачна.
Чёрная дыра отбрасывает тень, потому что поглощает свет. Бозонная звезда тени не даёт — свет проходит насквозь. Но гравитационное линзирование остаётся: масса есть, значит, пространство-время искривлено.
Коллаборация Event Horizon Telescope в 2019 и 2022 годах сфотографировала тени вокруг М87* и Стрельца А* — снимки, за которыми стоят сотни учёных и восемь радиотелескопов по всей Земле. Тени выглядят как у чёрных дыр. Но теоретики подсчитали: бозонная звезда той же массы дала бы похожую картину — с небольшими отличиями в структуре кольца и поведении аккреционного диска.
«Небольшими» — ключевое слово. Пока различить невозможно. Будущие наблюдения с более высоким разрешением должны помочь — но когда именно, неизвестно.
Добавляет сложности нестабильность. Численные расчёты показывают: бозонные звёзды при внешних возмущениях — даже слабых, вроде аккреции газа — склонны коллапсировать в чёрные дыры. Долгожители среди них редки. Скорее всего, именно поэтому мы видим в центрах галактик чёрные дыры, а не бозонные звёзды — последние уже схлопнулись. Те немногие, что выжили, научились быть тихими.
Или схлопнулись не все.
Что если: в центре галактики — не чёрная дыра
Стрелец А*. Четыре миллиона солнечных масс. Звёзды S2, S38, S55 — их орбиты измерены с нобелевской точностью. Масса центрального объекта определена. Тень сфотографирована.
Что если это бозонная звезда?
Орбиты звёзд не изменятся — масса та же, гравитация та же. Тень будет похожей. Но детали будут другими: аккреционный диск устроен иначе, потому что вещество может падать не в горизонт, а сквозь объект — и выходить с другой стороны. Гравитационно-волновые сигналы от объектов, падающих на Стрелец А*, будут отличаться от предсказаний для чёрной дыры — у бозонной звезды нет горизонта, нет точки невозврата, и ringdown (стадия затухающего колебания) будет другим.
Для Земли ничего не изменится. Центр галактики в 26 000 световых лет — мы не чувствуем его ни в каком смысле, кроме гравитационного удержания в галактике.
Но для физики — меняет всё. Если в центре нашей галактики не чёрная дыра, а бозонная звезда из тёмной материи — это означает, что тёмная материя умеет собираться в компактные объекты. Что она квантовое поле, а не частица. Что её можно искать не в ускорителях, а в телескопах.
Стрелец А молчит. Мы смотрим на него и видим то, что ожидаем увидеть. Но, может быть, там — просто очень тяжёлая, очень тихая волна.
**********
Бозонные звёзды замыкают* серию «Фантомы и химеры» через тёмную материю — туда, откуда мы начинали разговор о вещах, которых не видим. Белые дыры, кротовые норы, голые сингулярности, граваторы, кварковые звёзды, тёмные звёзды — и теперь объекты, сделанные из самой тёмной материи.
* Серия продолжается - Вселенной ещё есть, чем нас удивить!
**********
Я не учёный — просто люблю читать тех, кто им является. Все факты проверены по научным источникам, открытые вопросы названы открытыми. Нашли ошибку — пишите в комментарии, буду благодарен.
Пишу о вещах, после которых по-другому смотришь на мир вокруг. Если это ваше — кнопка подписки рядом.
**********
Источники:
- Palenzuela C. et al. «Gravitational Wave Signatures of Highly Compact Boson Star Binaries», Physical Review D (2008) — гравитационные волны от слияний бозонных звёзд
- Bustillo J.C. et al. «GW190521 as a Merger of Proca Stars», Physical Review Letters, 126 (2021) — интерпретация GW190521 как слияния бозонных звёзд
- Liebling S.L., Palenzuela C. «Dynamical Boson Stars», Living Reviews in Relativity (2017) — полный обзор моделей бозонных звёзд и их устойчивости
- Herdeiro C., Radu E. «Asymptotically flat black holes with scalar hair», International Journal of Modern Physics D (2015) — наблюдательные различия бозонных звёзд и чёрных дыр
**********
#бозонныезвёзды #тёмнаяматерия #чёрныедыры #LIGO #физика #фантомыихимеры #квантоваяфизика #наука #научпоп #астрофизика