Невидимые бозонные звезды могут объяснить загадочные гравитационные волны

В прошлом году ученые обнаружили гравитационные волны от того, что казалось самым массивным столкновением черных дыр, когда-либо зарегистрированным. Но теперь международная команда астрофизиков предложила экзотическую альтернативу – данные могут фактически способствовать столкновению двух бозонных звезд, гипотетических объектов, которые были бы невидимыми, невероятно плотными и могли бы даже помочь распутать тайну темной материи.

Гравитационные волны – это рябь в самой ткани пространства-времени, возникающая при некоторых из самых энергетических катаклизмов в космосе — чаще всего при столкновениях между черными дырами и/или нейтронными звездами.

Невероятно точные приборы, управляемые LIGO/Virgo Collaboration (LVC), улавливают эти волны, когда они достигают Земли, и сигналы могут быть проанализированы, чтобы узнать о массах объектов, участвующих в первоначальном слиянии.

С момента первого открытия в 2015 году было обнаружено около 50 сигналов гравитационных волн, но одно особенно интересное событие, известное как GW190521, было описано LVC в сентябре 2020 года. При массе, в 65 и 85 раз превышающей массу Солнца, два сталкивающихся объекта были самыми массивными из когда-либо обнаруженных с помощью этого метода, и объект, созданный впоследствии, был с массой в 142 массы Солнца, что поместило его в редкий класс черных дыр промежуточной массы (IMBHs).

С такими массами исходные объекты считались черными дырами. Но теперь команда астрофизиков выдвинула новое объяснение, которое, возможно, подходит более точно – столкновение двух экзотических объектов, называемых бозонными звездами.

Как следует из названия, бозонные звезды (если они существуют) в основном состоят из бозонов, одного из двух классов элементарных частиц. Обычные звезды в основном состоят из другого класса, известного как фермионы. Теоретически бозонные звезды функционировали бы так же, как черные дыры, всасывая материю из своего окружения благодаря сильному гравитационному притяжению, но с одним существенным отличием.

Как известно, даже сам свет не может вырваться из черной дыры. Но у бозонных звезд нет этой “точки невозврата”, то есть эти экзотические объекты не были бы черными, как смоль, а были бы прозрачными и в значительной степени невидимыми.

В новом исследовании ученые смоделировали слияние бозонных звезд и обнаружили, что они будут производить сигнал, соответствующий обнаружению события GW190521 в прошлом году. На самом деле, ученые говорят, что бозонные звезды являются еще более точным объяснением сигнала, чем черные дыры.

Проблема с объяснением сталкивающихся черных дыр заключается в том, что масса одной из этих черных дыр выходит за рамки общепринятых категорий. Существуют черные дыры звездной массы, образовавшиеся в результате коллапса звезд и приводящие к массам от пяти до нескольких десятков масс Солнц. Кроме того, существуют вышеупомянутые черные дыры промежуточной массы с диапазоном между 100 и 10 000 массами Солнца. При 85 массах Солнца объект попал прямо в “запретный” диапазон масс, озадачив астрономов своим открытием.

Гипотеза бозонной звезды устраняет это препятствие, хотя и вводит совершенно новое. Эта пересмотренная гипотеза также изменила бы некоторые другие свойства столкновения.

«Во-первых, мы больше не будем говорить о сталкивающихся черных дырах, что устраняет проблему борьбы с запрещенной черной дырой», — говорит Хуан Кальдерон Бустильо, автор исследования. «Во-вторых, поскольку слияния бозонных звезд намного слабее, мы предполагаем гораздо более близкое расстояние, чем то, которое оценивает LVC. Это приводит к гораздо большей массе последней черной дыры, около 250 солнечных масс, поэтому тот факт, что мы стали свидетелями образования черной дыры промежуточной массы, остается верным».

Хотя команда астрономов говорит, что это может быть первым доказательством существования бозонных звезд, пока все это очень спекулятивно. Для изучения этой возможности потребуются дальнейшие исследования и усовершенствованное моделирование.

Если исследование выдержит тщательную проверку, то последствия простираются далеко за пределы новых небесных объектов. Они могли бы помочь разгадать одну из самых запутанных тайн космологии – темную материю. Чтобы бозонные звезды существовали, они должны были бы состоять из стабильного бозона, который “самооталкивается”, и гипотетическая частица, называемая аксионом, подходит для этого. Аксионы также являются ведущим кандидатом на частицу темной материи.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.