Содержание статьи
В этом блоге я не раз писал о компактных объектах звёздной массы, обладающих причудливыми физическими свойствами. Одним из наиболее известных таких объектов является нейтронная звезда или пульсар. Если вам интересна краткая история изучения нейтронных звёзд, рекомендую посмотреть статью Д. М. Полякова «Нейтронные звёзды и пульсары», опубликованную на сайте Санкт-Петербургского государственного университета в 2014 году. Тем интереснее, что уже в 2015 году были открыты гравитационные волны, распространяющиеся по ткани пространства-времени после столкновения таких компактных объектов — например, нейтронных звёзд или чёрных дыр. Поскольку по силе и рисунку гравитационной ряби можно предположить свойства столкнувшихся объектов, вскоре начали накапливаться факты, косвенно свидетельствующие о столкновениях ещё более экзотических и даже гипотетических тел. Среди них — так называемые «бозонные звёзды», о которых на Хабре впервые написал в 2023 году уважаемый @SLY_G в статье «Астрономы, возможно, нашли бозонную звезду». Под катом поговорим, что же такое бозонная звезда, и может ли она вообще существовать.
Так выглядит семейство фермионов. Все эти частицы считаются элементарными, но подлинно неделимыми являются только лептоны — нейтрино и электроны. Адроны — это тяжёлые частицы, к которым кроме протонов и нейтронов относятся тяжёлые кварки. Однако эта схема лишь перекликается со Стандартной моделью физики частиц. В следующей таблице Стандартная модель представлена без суперсимметричных партнёров; думаю, ранее на Хабре она вам попадалась.
Таким образом, фермионы (в том числе, лептоны) — это частицы материи, а бозоны — переносчики взаимодействий. Среди бозонов наиболее известен фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия. Фотон и глюон (переносчик сильного ядерного взаимодействия) являются безмассовыми, но другие бозоны, в особенности, бозон Хиггса — очень тяжёлые. Теоретически, к числу бозонов должен относиться и гравитон, переносчик гравитационного взаимодействия — при условии, что гравитация является таким же квантовым взаимодействием, как и, например, электромагнетизм. Несмотря на то, что гравитационные волны известны уже около 10 лет, гравитон пока не открыт (об этом я ранее писал в статье «Как открыть гравитон. Некоторые идеи о квантовании гравитационных волн»).
В настоящее время не известно никаких физических тел, которые состоят только из бозонов. Вероятно, впервые о существовании таких тел одним из первых задумался Джон Уилер (1911-2008). Он размышлял, может ли звезда состоять из чистых фотонов, но, по современным представлениям, это нереалистично, так как фотоны — безмассовые частицы, а ядра водорода и гелия в звезде удерживаются силой взаимного притяжения (эта же сила лежит и в основе звёздных ядерных реакций). В 1953 году Уилер написал о геонах. Он полагал, что при существовании скалярных бозонных полей (кстати, поле Хиггса является скалярным) в таком поле могут возникать стабильные одиночные волны-солитоны, поддерживаемые в волнообразной форме гравитационным полем, которое сами и генерируют. Такой гравитационный солитон Уилер и назвал «геоном» и предположил, что со стороны этот объект выглядел бы похоже на нейтронную звезду, но состоял бы из массивных бозонов.
О разнице между фермионами и бозонами
Ключевое отличие между фермионами и бозонами — в том, что фермионы отказываются занимать одинаковое квантовое состояние, а бозоны легко это делают. Поэтому никакая гравитация не может сжать фермионы в одну точку, и в условиях сильнейшей гравитации фермионы (например, нейтроны) превращаются в вырожденный газ. Фермионы отталкиваются друг от друга в соответствии с принципом запрета Паули, и именно поэтому существуют нейтронные звёзды размером с город. Рубеж компактности, после которого белый карлик превращается в нейтронную звезду, называется «предел Чандрасекара». С некоторыми оговорками это означает, что белый карлик не может иметь более 1,38-1,4 солнечной массы, а нейтронная звезда – более 2-3 солнечных масс.
Бозоны, напротив, легко занимают одно и то же квантовое состояние, особенно при сверхнизких температурах. Остужая атомную взвесь до нескольких нанокельвинов, можно заставить атомы вести себя как бозоны, и даже приготовить из них бозонно-фермионную смесь. Именно путём захвата ультрахолодных атомов при помощи оптических ловушек в 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман смогли получить новое агрегатное состояние вещества — конденсат Бозе-Эйнштейна. Атомы в состоянии бозонного конденсата обладают массой, поэтому, теоретически, достаточно большой объём материи, которая естественным образом оказалась в виде конденсата Бозе-Эйнштейна, может достичь достаточной массы, чтобы схлопнуться в чёрную дыру. Но практика показывает, что атомы могут находиться в таком состоянии, лишь оставаясь очень разреженными. Если атомы собираются в объект звёздной массы, то в них начинаются ядерные реакции, и образуется обычная звезда. Соответственно, объект звёздной массы теоретически может состоять из массивных бозонов и напоминать нейтронную звезду, но при этом не ограничиваться пределом Чандрасекара по массе. Согласно некоторым расчётам, такие объекты, которые мы далее будем называть бозонными звёздами, могут иметь от десятков до 1000 солнечных масс.
Ныне известные бозоны не могут образовывать такие звёзды. Но в теории ультралёгкие бозоны с массой порядка 10-11 эВ подходят на эту роль (см. здесь в разделе 2.1 и далее). Такой объект напоминал бы чёрную дыру, но, в отличие от чёрной дыры, обладал бы характерным магнитным полем, которое можно было бы обнаружить методом гравитационного линзирования. Для сравнения – на этой диаграмме показаны массы других экзотических звездоподобных объектов.
Сверхмассивные чёрные дыры, расположенные в центрах галактик, на порядки тяжелее чёрных дыр звёздной массы. К началу 2020-х не было известно ни одной чёрной дыры с массой в промежутке от 100 до 100 000 солнечных, и это может подводить нас к двум выводам. С одной стороны, в диапазоне масс, который здесь помечен знаком вопроса, могут существовать экзотические тяжёлые объекты, не излучающие света. С другой стороны, в галактических ядрах могут находиться не только чёрные дыры (или вообще не чёрные дыры как таковые), а другие объекты, не взаимодействующие с фотонами.
Но вернёмся к гипотезам о свойствах бозонных звёзд.
Вероятные свойства бозонных звёзд
Как я писал выше, материя, из которой состоит бозонная звезда, должна находиться в скалярном поле. Каждая точка этого поля обладает конкретным энергетическим значением, как будто эти точки расположены на шкале. Бозоны с подходящими свойствами должны образовывать в таком поле стабильную совокупность, однако получившийся объект не будет иметь ни поверхности как таковой, ни горизонта событий, поскольку не станет взаимодействовать с фермионами. За счет огромной массы бозонная звезда должна искривлять окружающее пространство, что будет заметно по отклонению света от прямой, а также, вероятно, может отбрасывать тень, так как непосредственно с фотонами не взаимодействует.
Обычные звёзды горят за счёт термоядерного синтеза — реакции, протекающей за счёт слияния ядер водорода (а также гелия и других элементов). Энергия, выделяющаяся в ходе термоядерного синтеза, не даёт звезде схлопнуться и поддерживает её в состоянии раскалённого плазменного шара. Но, как упоминалось выше, гравитация несовместима с квантовой механикой, а в бозонной звезде должны доминировать квантовые эффекты. Поэтому в пределы бозонной звезды не будут попадать фермионы (противодействующий этому процесс можно назвать «квантовым давлением»), и мы её не увидим.
Как известно, квантовая частица (в рассматриваемом случае — гипотетический массивный бозон) одновременно существует во многих точках пространства, так как находится в суперпозиции. Из бозонов возникает квантовое облако, подобное туманности, которое может оставаться стабильным в течение миллиардов лет.
Таким образом, формирование бозонной звезды сравнимо не столько с нуклеацией/образованием и уплотнением газопылевого облака, а с образованием огромного атома.
В бозонных звёздах не идут ядерные реакции, то есть, эти звёзды не горят и не светят. Оставаться в целостности бозонная звезда может лишь потому, что внутри неё действует квантовое давление, а в ближайших окрестностях она оказывает на окружающее пространство гравитационное воздействие, поскольку в такой звезде заключена огромная масса. Извне звезда выглядит целостно, но внутри неё ничего нет кроме энергии, воспринимаемой извне как масса. Поэтому внутри бозонной звезды не должно быть никакой «плотности» или «сгустков»; в ней будут отличаться лишь энергетические уровни (подобно тому, как они отличаются у электронов на разных орбиталях в атоме).
Границы атома являются зыбкими, так как электронные облака не имеют чёткой геометрической формы. По этой же причине не должно быть явной границы у бозонных звёзд; на периферии они должны постепенно иссякать.
Как отличить бозонные звёзды от чёрных дыр
Исходя из вышеизложенного, обнаружить бозонные звёзды чрезвычайно сложно, но именно в последние 10 лет можно добавить: «уже не невозможно». Бозонные звёзды недоступны для наблюдения через обычные телескопы (не только оптические, но и, например, рентгеновские), однако могут взаимодействовать с обычной материей, выдавая себя рябью гравитационных волн. Кроме того, поскольку бозонные звёзды должны существенно превышать по массе как нейтронные звёзды, так и чёрные дыры звёздной массы, бозонная звезда может как обрасти кольцом обычной материи (на орбитах в некотором удалении от скалярного поля), так и образовать двойную систему с белым карликом или нейтронной звездой. В такой двойной системе бозонная звезда будет отбрасывать тень и постоянно отклонять фотоны звезды-компаньона, что можно заметить при гравитационном линзировании.
В 2024 году команда под руководством профессора Ульриха Сперхаке, работающего на факультете прикладной математики и теоретической физики в Кембриджском университете (DAMTP) попробовала построить симуляцию бозонной звезды, в том числе, яркого гало (светового кольца), которым такая звезда должна обзавестись. В этой статье 2024 года Сперхаке совместно со своими аспирантами Тамарой Евстафьевой, Изобель М. Ромеро-Шоу и Михалисом Агатосом показали, что статистически разница существует, но сами по себе возмущения от бозонных звёзд должны быть очень похожи на гравитационные волны от чёрных дыр.
В 2025 году Сперхаке и Евстафьева опубликовали другую статью совместно с Гаретом Артуро Марксом с того же факультета, в которой пришли к выводу, что бозонные звёзды могут быть очень нестабильны и при небольшом вбросе лишней массы должны обрастать горизонтом событий, соответственно, превращаясь в полноценные чёрные дыры. Впрочем, бозонные звёзды должны оставаться стабильными в таких областях, где обычной барионной материи не очень много.
Ещё более причудливые объекты — вращающиеся бозонные звёзды — смоделировала в 2019 году команда из университетов Лиссабона, Валенсии и Авейро. По мнению учёных, строивших симуляцию при помощи инструментария Einstein Toolkit, бозонные звёзды могут вращаться. В таком случае они приобретают спин, и бозонное поле становится не скалярным, а векторным. Такой объект должен иметь тороидальную форму как слева, в отличие от скалярной бозонной звезды, изображённой справа. Обратите внимание, как энергетические уровни скалярной бозонной звезды напоминают электронные оболочки атома.
Заключение
Несмотря на то, что бозонные звёзды более 70 лет пребывают в статусе теоретического конструкта, они значительно интереснее, чем «просто ещё одна интерпретация уравнений Эйнштейна». В отличие от чёрной дыры, бозонная звезда не содержит сингулярности и не вызывает информационного парадокса. Поскольку уже известны бозоны, обладающие массой (таков, в том числе, бозон Хиггса), вполне можно предположить, что на долю ультралёгких бозонов приходится значительная часть тёмной материи, которая не взаимодействует с фотонами, а лишь линзирует их — выше я показал, как это могут делать бозонные звёзды. Наконец, бозонные звёзды могут во множестве концентрироваться в активных ядрах галактик, и в таком случае также позволили бы уйти от концепции «сверхмассивной чёрной дыры» в таком ядре.
Детекторы гравитационных волн собирают всё больше информации о столкновениях сверхтяжёлых объектов звёздной массы. По мере накопления такой статистики мы, возможно, приближаемся к обнаружению двойной системы, состоящей из пульсара и бозонной звезды. Но даже, если эти объекты окажутся всего лишь плодом бурного уилеровского воображения, описанные здесь поиски должны пролить дополнительный свет на природу материи и энергии. Впоследствии я надеюсь рассмотреть в этом блоге и некоторые другие экзотические идеи Джона Уилера, в частности, о материальной природе информации.
Загрузка...
