GW190521 - слияние двух звёзд Прока?
Весной 2019 года двумя обсерваториями гравитационных волн LIGO и Virgo было обнаружено слияние двух черных дыр, имеющих 85 и 66 солнечных масс соответственно. В результате события, которое ученые назвали GW190521 , образовалась черная дыра с массой 142 Солнц, и это стало первым наблюдением с помощью гравитационных волн черной дыры промежуточной массы. Но удивительным оказалось не только это.
Одна из самых больших загадок оказалась связана с массами двух исходных черных дыр. Согласно звездным моделям, черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса большой звезды, не могут быть больше примерно 65 солнечных масс. В то время как меньшая из двух черных дыр близко подходила к этому пределу, большая определенно нет. Так как же образовалась черная дыра массой 85 солнечных?
Одна идея состоит в том, что это результат небольших слияний. Предположительно могла существовать плотная система из 4-6 черных дыр, которые могли со временем слиться в одну большую черную дыру. Но при этом, такой кластер черных дыр должен был бы вращаться вокруг черной дыры массой 66 солнечных, чтобы потом образовать слияние GW190521. Есть ряд теорий о том, что подобные скопления черных дыр могут существовать, но неясно, как они могут сливаться настолько быстро, чтобы объяснить образование GW190521.
Наблюдаемое событие слияния GW190521. (Иллюстрация: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Поэтому недавно ученые предложили другое решение. Они выдвинули предположение, что GW190521 была слиянием не пары черных дыр, а , вероятно, слиянием двух звезд Прока .
Звезда Прока (иногда ее называют бозонной звездой) - это, по сути, гипотетический объект, который аналогичен белому карлику или нейтронной звезде. Дело в том, что вся материя состоит из строительных блоков двух основных типов: фермионов , таких как электроны и кварки, и бозонов, таких как глюоны и хиггсы . Фермионы препятствуют тому, чтобы занимать одно и то же квантовое состояние. Если гравитация пытается сжимать фермионы вместе, то они отталкиваются в результате так называемого давления вырождения . Это давление не позволяет белым карликам и нейтронным звездам коллапсировать под своим весом.
Для бозонов нет проблем в том, чтобы занять одно и то же квантовое состояние. Фактически, если сверхохладить бозоны, то они образовывают единый квантовый объект, известный как конденсат Бозе-Эйнштейна . Из-за этого можно было бы предположить, что гравитация способна коллапсировать массу бозонов в черную дыру. Но на самом деле, чрезвычайно уплотненные бозоны в сильном гравитационном поле проявляют себя неожиданным образом - благодаря довольно изощренной физике, в конечном итоге, бозонная звезда достигает такого же гравитационного баланса, как белые карлики или нейтронные звезды. Теоретически бозонная звезда даже может быть такой же гравитационно стабильной, как белые карлики и нейтронные звезды. И более того. Существующий предел давления вырождения не позволяет, чтобы белые карлики были больше 1,4 массы Солнца, а нейтронные звезды больше 2-3 масс Солнца. Но при определенных условиях масса бозонной звезды вполне могла бы иметь массу 85 Солнц или даже больше.
Так могла бы выглядеть бозонная звезда в телескопе Event Horizon Telescope. (Иллюстрация: Olivares et al)
Материя из известных нам бозонов не могла стать бы звездой Прока, но некоторые теории темной материи предполагают новые виды бозонов. Если темная материя состоит из бозонов малой массы, то они могут образовывать объекты, похожие по размеру и массе на черные дыры. Поскольку у них будут сильные магнитные поля (в отличие от черных дыр), мы сможем отличить их от черных дыр по световому линзированию вокруг них. Или, как предлагает новое исследование, можно попробовать обнаружить их по их гравитационным волнам.
Когда ученые изучили данные о событии GW190521, они обнаружили, что они согласуются как со слиянием черных дыр, так и с гипотетическим слиянием двух звезд Прока. Обе модели хорошо совпадали с данными фактических наблюдений. Так как характеристики звезды Прока должны зависеть от массы составляющих ее бозонов, ученые на основе данных GW190521 рассчитали массу этого теоретического бозона. Результат, который они получили, был чрезвычайно малым. Примерно в триллионную часть расчетной массы нейтрино.
Ничто из этого не доказывает, что звезды Прока существуют. Все явления гравитационных волн, которые ученые наблюдали, прекрасно объясняются слиянием черных дыр. Но новое исследование предлагает интересную теорию. Новая легкая бозонная частица может помочь нам пролить свет на темную материю, частицы которой могут образовывать бозонные звезды. Это странная идея, но пока ее не стоит сбрасывать со счетов.
FUTURYCON