Бозонная звезда

Волнующие, вводящие в заблуждение и вселяющие ужас – такими эпитетами можно охарактеризовать черные дыры, распространяющие вокруг себя ненависть чудовища Вселенной. Существование этих ненасытных космических каннибалов было предсказано Общей теорией относительности Эйнштейна. На сегодняшний момент это наилучшая теория гравитации, которой мы располагаем. Вскоре мы получим первое прямое изображение черной дыры в центре Млечного Пути. Но что если ее там не окажется?

Ученые, одержимые черными дырами, возможно, не замечают какого-то еще более странного явления, которое относится к физике элементарных частиц и значение которого мы пока не можем оценить. Несмотря на то что пока это чисто умозрительная идея, есть веские причины ее обдумать.

Мы не знаем, что происходит внутри черных дыр. Это такие места, где сфера действия Общей теории относительности, которая имеет дело с очень большими величинами, сталкивается с квантовой теорией, отвечающей за очень малые величины. В черных дырах эти две теории друг с другом уживаются плохо. Теория относительности предполагает, что любой объект, падающий внутрь черной дыры, будет раздавлен ее гравитационным полем и превратится в сингулярность нулевого объема и бесконечной плотности – но это делает бессмысленным любое уравнение. Между тем, детальные теоретические расчеты показывают, что черные дыры либо должны уничтожать всю информацию – явление, совершенно невозможное с точки зрения квантовой механики, – либо окружать себя клокочущей стеной энергии, – а это предположение нарушает принцип Общей теории относительности.

Убедительные доказательства существования черных дыр появились в 2016 году, когда ученые объявили о первом обнаружении гравитационных волн (см. главу 10). Эксперименты LIGO и Virgo (Laser Interferometer Gravitaional-Wave Observatory – «Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория» и детектор гравитационных волн) зафиксировали сигналы, которые точно соответствовали предсказаниям теории для столкновения и слияния двух черных дыр звездной массы.

Значит, вопрос закрыт? Не надо спешить, говорит Лучано Реццолла из Франкфуртского института перспективных исследований (Германия). Эти сигналы могут исходить не от черных дыр, а от бозонных звезд. Пока, правда, эти объекты существуют лишь в умах теоретиков.

По большей части вещество состоит из основных элементарных частиц – фермионов. Их характерной особенностью является то, что они подчиняются принципу запрета Паули, который гласит, что частицы не могут занимать одно и то же квантовое энергетическое состояние. Принцип Паули является ответственным за основные параметры материального мира: он определяет, как электроны располагаются в различных энергетических состояниях вокруг атомного ядра, и, следовательно, определяет свойства различных химических элементов.

Совсем другое дело – бозоны. Пожалуй, самым известным примером является бозон Хиггса, открытый в 2012 году. Благодаря бозону Хиггса частицы материи обладают массой. Есть другие бозоны, которые отвечают за взаимодействия между частицами. Нельзя сказать, что бозоны – это нечто экзотическое. Мы их видим вокруг себя все время: фотоны – это бозоны, которые переносят электромагнитное взаимодействие.

Основное, что нужно понимать относительно бозонов, – они могут скапливаться в одном месте практически неограниченно. По сути они представляют собой одну коллективную частицу, особое состояние материи, известное под именем конденсат Бозе – Эйнштейна. Физики могут создать конденсат Бозе – Эйнштейна в лаборатории. Ничто не мешает бозонам, обладающим специальными свойствами, образовать довольно крупный объект – возможно, очень крупный. Некоторые физики считают, что конденсаты Бозе – Эйнштейна могут образовывать даже звезды, хотя их свойства будут отличаться от свойств обычных звезд, которые мы знаем.

При образовании звезды из обычного вещества оно сжимается под действием гравитационного давления и нагревается до такой степени, что в нем начинаются реакции термоядерного синтеза. При этом выделяется энергия, в том числе – световое излучение. В отличие от обычных звезд, бозонные звезды – это просто космические лентяи, лежебоки, принявшие форму пончиков: именно такую форму, согласно расчетам, должны принимать бозонные звезды под действием центробежных сил, если они вращаются по примеру обычных звезд.

Эти небесные «пончики» должны быть прозрачными. Не испуская собственного света, они должны быть невидимы, а главный признак, по которому можно будет судить об их присутствии, – сильная гравитация. Это кое-что напоминает нам, не правда ли?

Идея бозонных звезд не нова, но астрофизики отмахивались от нее, потому что никто не мог себе представить, какой сорт бозонов может быть использован для создания таких звезд – частицы типа фотонов, передающие фундаментальные взаимодействия, для этого не подходят. Открытие бозона Хиггса возродило интерес к бозонам вообще. Основным кандидатом на формирование бозонной звезды является аксион, сверхлегкая гипотетическая частица; из аксионов также может состоять темная материя – таинственный клей, который, по мнению астрономов, удерживает галактики вместе.

Как можно получить доказательство существования бозонных звезд? В этом нам могут помочь гравитационные волны. Если в результате слияния двух объектов образуется черная дыра, «дрожь» пространства-времени, которая распространяется от места слияния в виде гравитационных волн, будет носить другой характер, чем при образовании бозонной звезды. Усовершенствованный проект LIGO, который будет обладать большей точностью, возможно, почувствует разницу в частотах излучаемых гравитационных волн.

Телескоп горизонта событий может прояснить ситуацию несколько раньше, хотя существуют разные мнения относительно того, легко ли будет увидеть разницу в изображениях черной дыры и бозонной звезды. Согласно расчетам Фредерика Винсента из Парижской обсерватории во Франции, гравитация компактной бозонной звезды будет искривлять свет вокруг себя, создавая пустую область, которую можно принять за тень горизонта событий черной дыры.

Реццолла считает, что такой вывод чрезмерно пессимистичен. Подобно черной дыре, бозонная звезда будет поглощать вещество из своих окрестностей, но прозрачность бозонной звезды означает, что это вещество в ее центре мы сможем увидеть. Кроме того, это вещество может нагреться и начать испускать свет или какую-либо другую форму электромагнитного излучения.

Гипотеза существования черных дыр в какой-то степени стала тормозом на пути развития всеобъемлющей теории природы, потому что черные дыры – это воплощение конфликта между Общей теорией относительности и квантовой механикой. Если бы удалось доказать, что черных дыр не существует, возможно, это стало бы прорывом в теоретической физике.

Итак, что такое темная материя?

Очевидно, что темная материя – это не просто вещество-невидимка, состоящее из обычных протонов, нейтронов и электронов, скрытое от нас темной завесой. Если бы Вселенная изначально содержала гораздо больше обычного вещества, то тогда спустя несколько минут после Большого взрыва из тех протонов и нейтронов, которые еще были плотно упакованы, в результате реакций термоядерного синтеза образовалось бы больше гелия, чем то количество, которое мы видим сегодня. Темная материя должна представлять из себя что-то другое.

Обычно предполагают, что темная материя состоит из экзотических частиц, которые слабо взаимодействуют с другими частицами и не ставят препон проходящему свету. Стандартная модель физики элементарных частиц не может предложить ничего подходящего для объяснения этого феномена, поэтому приходится прибегать к разного рода ухищрениям. Уже давно отдают предпочтение частицам WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) – так называемым слабовзаимодействующим массивным частицам, а также гораздо более легким аксионам.

Темная материя вообще может существовать не в форме частиц, а в виде первичных черных дыр, образовавшихся на ранних этапах жизни Вселенной.