Гравитационные волны GW190521 могли быть вызваны слиянием двух бозонных звезд

Исследование международной группы ученых под руководством Галицкого института физики высоких энергий (IGFAE) и Университета Авейру показало, что самое тяжелое из когда-либо наблюдавшихся столкновений с черной дырой, вызванное гравитационной волной GW190521, на самом деле может быть чем-то еще более загадочным — слиянием двух бозонных звезд.

Расскажем о том, что такое бозонные звезды и что означает их столкновение. Что такое бозонная звезда? Бозонная звезда — гипотетический астрономический объект, состоящий из бозонов (в отличие от обычных звезд, состоящих преимущественно из фермионов). Для того, чтобы подобный тип звезд мог существовать, должны быть стабильные бозоны, обладающие малой массой (масса должна быть в промежутке от 10−27 до 10−24 ГэВ). 

Бозонные звезды могли сформироваться в результате гравитационного коллапса на начальных стадиях развития Вселенной после Большого взрыва. Сверхмассивная бозонная звезда может, по крайней мере, теоретически находиться в центре галактики, и это может объяснить многие наблюдаемые свойства активных ядер галактик. Бозонные звезды также рассматриваются в качестве возможных составляющих темной материи. 

Ранее ученые не находили никаких веских оснований предполагать, что подобные звезды существуют, а единственным известным стабильным бозоном является фотон — безмассовая частица, всегда перемещающаяся со скоростью света. Исследователи предполагали, что двойные бозонные звезды, возможно, могут быть обнаружены по испускаемому ими гравитационному излучению. 

Бозонные звезды состоят из бозонов. Но что такое бозоны? Бозон — частица или квазичастица с целым значением спина (собственного момента импульса), выраженного в единицах постоянной Дирака. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное количество одинаковых частиц. 

Бозоны получили название по фамилии индийского физика Ш. Бозе. Термин «бозон» был предложен Полем Дираком. Системы из двух и более одинаковых бозонов описываются четными относительно перестановок частиц волновыми функциями. Симметричная волновая функция двух бозонов в бесконечной квадратной потенциальной яме.

Фермион — это частица или квазичастица с полуцелым значением спина. Все частицы можно разделить на две группы в зависимости от значения их спина: частицы с целым спином относятся к бозонам, с полуцелым — к фермионам. Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино), дырки (квазичастицы в полупроводнике). 

Фермионами являются также квантовомеханические системы, состоящие из нечетного числа фермионов (и произвольного числа бозонов). Фермионы подчиняются принципу Паули. Напомним, этот принцип — один из фундаментальных в квантовой механике. Согласно ему, два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Термодинамически равновесное состояние такой системы описывается статистикой Ферми — Дирака, с чем и связано их название. Название «фермион» было введено английским физиком-теоретиком Полем Дираком от фамилии итальянского физика Энрико Ферми. 

Ранее, начиная с 2015 года, детекторы LIGO и Virgo обнаружили и интерпретировали около 50 сигналов гравитационных волн. Все они, как считается, возникли в результате слияний черных дыр и нейтронных звезд, что позволило физикам углубить знания об этих объектах.

В сентябре 2020 года коллаборация LIGO и Virgo объявила о фиксации гравитационно-волнового сигнала GW190521. Он соответствовал столкновению двух черных дыр, масса которых в 85 и 66 раз превышает массу Солнца. Благодаря этому событию образовалась черная дыра с массой в 142 Солнца. 

Ученые предположили, что на самом деле это были бозонные звезды, состоящие из сверхлегких бозонов. Кстати, их масса в миллиарды раз меньше массы электронов. Неограниченное число бозонов способно занимать одно и то же квантовое состояние. Это и отличает их от фермионов, на которых распространяется принцип запрета Паули. 

Бозонные звезды почти такие же компактные, как черные дыры, но, в отличие от них, они не имеют горизонта событий. При столкновении эти экзотические объекты испускают гравитационные волны. Именно в результате их слияния образуется большая бозонная звезда. Со временем она может стать нестабильным объектом и попросту схлопнуться в черную дыру.

Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, движущаяся со скоростью света. Их источниками являются самые жестокие событий во Вселенной. Такая необычная масса участников столкновения стала большой проблемой. Причина проста — согласно общепринятой модели звездной эволюции, черная дыра с массой в 85 солнечных не могла образоваться в результате коллапса звезды. Это породило ряд сомнений в верности интерпретации источника GW190521. 

В итоге, ученые предложили альтернативное объяснение происхождения сигнала GW190521, сообщает ресурс «Ин-Спейс». 

Физики предположили, что произошло столкновение двух экзотических объектов, известных как бозонные звезды. В ходе своего анализа им также удалось оценить массу новой частицы, составляющей эти объекты — сверхлегкого бозона с массой в миллиарды раз меньше массы электрона. 

К чему приведет новое открытие? Источником гравитационных волн, пойманных в 2019 году, возможно, являлись две столкнувшиеся бозонные звезды, а не пара массивных черных дыр, заявили физики в исследовании, представленном в журнале Physical Review Letters. 

В отличие от обычных звезд, бозонные состоят из сверхлегких бозонов. Кстати, они — одни из наиболее привлекательных кандидатов в темную материю. Открытие продвинет исследования в поисках таинственного вещества вперед. Если выводы ученых подтвердятся, то это событие станет первым доказательством существования загадочных гипотетических объектов, которые являются кандидатами в невидимую темную материю, составляющую 27% массы Вселенной. 

Напомним, темная материя в астрономии и космологии, а также в теоретической физике — форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет порядка четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии. 

Команда обнаружила, что даже несмотря на то, что анализ имеет тенденцию поддерживать гипотезу слияния черных дыр, данные на самом деле предпочитают слияние бозонных звезд, хотя и неубедительно. 

Профессор Хосе А. Фонт из Университета Валенсии заявил по этому поводу: «Наши результаты показывают, что эти два сценария почти неразличимы с учетом данных. И все же гипотеза экзотической бозонной звезды подходит лучше. Это очень интересно, поскольку модель бозон-звезды на данный момент очень ограничена и подлежит значительным улучшениям. Более развитая модель может привести к еще большему доказательству этого сценария, а также позволит изучить предыдущие наблюдения гравитационных волн в предположении слияния бозонов и звезд».

Ранее сообщалось о том, что космические телескопы впервые увидели свет, отражающийся эхом от черной дыры.