Зірки із темної енергії - реальність чи фантастика?
Вдивляючись у мерехтливі зірки в нічному небі астрономи минулого наврядчи уявляли собі, що у космосі є зірки чайна ложка речовини, яких буде важча за цілу гору, або що існують об'єкти настільки компактні, що ніщо не може уникнути їхньої гравітації. Так це досі звучить круто, але сьогодні це вже - реальність. Але навряд хтось вам скаже, що ми вже бачили все і космос більше нічим нас не здивує. Насправді наші теорії світовлаштування не заперечують існування об'єктів, які можуть здатися занадто фантастичними, щоб бути реальними. Тим не менш в деяких дослідженнях науковці про них згадують, адже інколи важко пояснити спостереження відомими властивостями зірок, чорних дір чи планет.
Що таке бозонна зоря?
В межах одного з нових досліджень астрономи пропонують нам об'єкт, який на їхню думку цілком може виявитися бозонною зіркою. Боззонні зірки складаються не з атомів нормальної речовини, а з частинок темної матерії.
Для початку потрібно сказати про космічний телескоп, який був створений для досить амбітної місії (GAYA) огляд зірок нашої галактики шляхом вимірювання радіальних швидкостей зірок, що дає змогу розуміти куди рухаються зірки нашої галактики.
В процесі дослідження за допомогою даного телескопа астрономи звернули увагу на зірку, яка поводилася досить дивно. Сама зірка типова і навіть дуже схожа на Сонце - має 93% його маси та майже ідентичний хімічний склад. Але рухалася вона таким чином ніби оберталася навколо темного компаньйона. Маса якого трохи менше - 10 Сонць на відстані 1,4 строномічних одиниць(астрономічна одиниця - відстань від Землі до Сонця).
Багато хто скаже, що тут не має нічого дивного , так як характер її обертання цілком пояснюється наявністю чорної діри, адже такі системи вже відкривали раніше. Якщо це дійсно чорна діра, тоді темний компаньйон - є найближчою чорною дірою до нас. Даний об'єкт розташований на відстані 1600 світлових років.
Дослідження та можливі сценарії такої поведінки системи
Однак в новому дослідженні опублікованому в квітні минулого року астрономи вирішили дослідити іншу ідею. Річ у тім, що з точки зору орбітальних характеристик система здається не викликає запитань, темний об'єкт легко пояснюється, як чорна діра. Але як могла сформуватися така система?
Як пише один із дослідників Олександр Помбо з інституту чеської академії наук через те, що утворення чорної діри це досить драматична подія, яка супроводжується вибухом масивної зорі видається дивним як зірка компаньйон змогла пережити таку подію. Також перед самим вибухом масивна зоря розширюється до червоного гіганта і по суті поглинути свого меншого компаньйона.
Звісно можна припустити, що чорна діра захопила свого сусіда гравітаційно, однак орбіта зірки проходить занадто далеко до чорної діри, щоб цей сценарій вважати робочим, так як для гравітаційного захоплення чорна діра та зірка мали наблизитися ближче ніж знаходяться зараз.
Інша можливість полягає в тому, що спочатку жовтий карлик був частиною подвійної системи, а чорна діра могла змінити одну зірок в системі шляхом гравітаційних взаємодій, але всі ці пояснення виглядають малоймовірними.
Тому астрономи пропонують розглянути інший варіант структури відкритої системи. Незважаючи, що чорні діри - є об'єктами добре відомими і астрономи встигли їх виявити як прямими так і не прямими методами все ще можуть існувати інші об'єкти, які можуть імітувати поведінку чорних дір. І найкраще на цю роль підходять бозонні зірки.
Бозонні зірки це чергове передбачення теорії відносності і можливо - є найдивнішим її передбачень.
Що таке стандартна модель?
Наявність слово зірка не означає, що вони мають щось спільне із звичайними зорями окрім форми. Це по суті куля із стиснутих елементарних частинок, які називають бозонами
Згідно із стандартною моделлю, яка найкраще описує мікросвіт поділяє всі частинки на дві великі групи - ферміони та бозони.
Ферміони - це будівельні блоки звичайної матерії, вони утворюють атоми, планети, зорі та галактики. Ферміони також мають свою класифікацію поділяються на кварки та лептони(зліва в таблиці). Кварки - складові протонів та нейтронів, які в свою чергу є частиною ядра атома. А лептони - також входять в склад атомів. Найвідоміший з їх представників - електрон.
Тобто з ферміонів складається вся нормальна матерія, але бозони це дещо інше - це частинки сили. Вони підтримують зв'язок між ферміонами і контролюють взаємодію фізичних сил. Тобто саме вони зв'язкують і відштовхують матерію.
Найвідоміший бозон - фотон, саме вони передають електромагнітну силу. Знаменитий бозон Хіггса пояснює чому все у Всесвіті має масу. І також теоретично має існувати бозон відповідальний за гравітацію, але його ще ніхто не бачив і чи він існує питання відкрите.
Яких "правил" дотримуються ферміони та бозони?
Варто розуміти що ферміони та бозони не дотримуються однакових правил. Основною властивістю ферміонів - є те, що на них розповсюджується принцип Паулі. Це означає, що два ферміони не можуть займати один квантовий стан. Наприклад, у атомі електрони не можуть займати один і той самий енергетичний рівень навіть коли гравітація намагається їх стиснути вони не можуть бути стиснуті настільки, щоб займати однакові орбіти, або протони та нейтрони не можуть перекривати один одного. Цей феномен називається - тиском виродження. І саме він отримує білі карлики та нейтронні зорі від гравітаційного колапсу. Така властивість дозволяє їм утворювати структури і будувати практично все, що ми бачимо.
Бозони на відміну від ферміонів можуть спокійно займати один квантовий стан. Вони поводяться як хвилі, які можуть легко накладатися одна на одну утворюючи більшу хвилю.
Також бозони можуть утворювати колективні стани і групуючись разом мати спільні властивості, як одна суперчастинка чи суперхвиля. Наприклад, фотони які є бозонами можуть формувати лазерний промінь. Це відбувається, тому що велика кількість фотонів займає один квантовий стан, що дозволяє їм працювати спільно та синхронно.
Але насправді круті речі відбуваються коли бозони охолоджують до найнижчих температур. Це вдалося зробит у 1995 році коли група фізиків в лабораторних умовах успішно охолодили набір атомів рубідію-87. Цей ізотоп рубідію поводить себе як бозон. Температура, яку вдалося відтворити склала лише 170 наноКельвінів.
За таких умов частинки опускаються до стану найнижчої енергії та рухаються. дуже повільно і в цей момент атоми стають ідентичними з фізичної точки зору, тобто вони перетворюються в єдину хмару суперчастинок, яка працює за власними правилами. Таку хмару називають конденсатом Бозе-Анштайна.
Цей стан часто називають 5-м станом речовини і поводить вона себе дуже дивно. Саме їх відкриття призвело до розширення розуміння законів фізики та відкриття цікавих фізичних явищ таких як надтекучості та надпровідності.
Який бозон - є головним кандидатом на складову темної матерії?
Важливо розуміти, що бозони скрізь і вони мали населяти ранній Всесвіт. Таким чином це дозволяло формувати великі бозе-конденсати. Звісно гравітація без проблем стиснула велику кількість бозонів у чорну діру, так як для формування стабільних структур, якась сила має протидіяти гравітації. Але вважається що ми ще не відкрили всіх типів бозонів.
Велику увагу вчені приділяють гіпотетичній частинці під назвою - аксіон. Яка є головним кандидатом на складову темної матерії. У сучасній фізиці з темною матерією більше запитань ніж відповідей, але її гравітаційний вплив на звичайну матерію не викликає сумнівів. Відкриття аксіонів беззаперечно стало проривом у розумінні Всесвіту. Тому її шукають скрізь.
Аксіони можуть мати властивість відштовхуватися і протистояти об'єднанню навіть під тиском гравітації. Тож об'єднуючись аксіони можуть утворювати гравітаційно стабільні об'єкти. Вони будуть протидіяти гравітаційному колапсу та при цьому будуть досить масивними та компактними, так само як білі карлики та нейтронні зорі. Тому аксіон - є гіпотетичною складовою бозонної зірки, так на разі все це звучить занадто гіпотетично.
Які властивості матимуть бозонні зірки?
Згідно із останніми дослідженнями бозонні зірки будуть мати багато спільних рис із чорними дірами і тому було б непогано зрозуміти, яким чином їх відрізняти, якщо раптом астрономам раптом їх відкрити.
На відміну від звичайних зірок не синтезуватимуть хімічні елементи і не випромінюватимуть нічого. Оскільки темна матерія не взаємодіє з іншою матерією бозонні зірки проявлятимуть себе виключно гравітаційно.
На відміну від чорних дір мають бути прозорими адже в них не має поглинаючої поверхні, яка б зупиняла фотони та не матимуть горизонту подій, але через свою масу все ж таки викривлятимуть часопростір, отже заставлятимуть фотони викривлятися від прямолінійного руху.
З іншого боку вони будуть досить компактними та масивними, щоб поглинати навколишню речовина так само як це роблять чорні діри. А ще деякі бозонні зірки можуть бути оточені кільцем плазми, що нагадує акреаційний диск чорної діри. Крім того внаслідок гравітаційного лінзування бозонна зірка з плазмовим тором матиме темну область, що дуже нагадуватиме тінь чорної діри.
Моделювання як виглядатимуть бозонні зірки і чи ми зомжемо їх відрізнити від чорних дір?
Тому у вересні 2020 року група астрофізиків спробувала змоделювати, як саме виглядатимуть плазмові диски навколо двох типів об'єктів і чи матимуть вони, якісь відмінності. В процесі моделюванні вони виявлили що плазмовий тор та чорна область мають бути меншою ніж у чорної діри. Також це пояснюється відсутністю в бозонних зір горизонту подій.
На цих модельованих зображеннях можна побачити відмінності у вигляді чорної діри та бозонної зірки.
У зв'язку з цим постає логічне питання: чи не можуть чорні діри, які ми знаходили раніше бути бозонними зірками?
В контексті цього було перевірено зображення чорної діри в галактиці M87 і дійшли висновку, що тінь є завелика, щоб вважати об'єкт бозонною зіркою. Тому принаймі цей об'єкт - чорною дірою.
Астрономи на всяк випадок змоделювали як виглядатиме зображення бозонної зірки від телескопу горизонту подій, який власне і зазнімкував вперше тінь чорної діри. Це було зроблено для того, щоб перевірити чи телескоп зоже розрізнити чорну діру від бозонної зірки і виявлилося - так зможе.
Моделі можуть бути корисними для майбутніх спостережень і астрономи зможуть зрозуміти, що насправді бачать вдивляючись в акреаційні диски, які здебільшого асоціюють з чорними дірами.
Чи можна виявити бозонні зірки за допомогою гравітаційних хвиль?
Якщо бозонні зірки можуть бути масивними та компактними та легко імітують чорні діри, то чи не можна їх виявити за допомогою гравітаційних хвиль.
Деякі сигнали гравітаційних хвиль виглядають досить дивно, що бути ознаками чорних дір. Гравітаційні хвилі одне із передбачень теорії відносності, яке було підтвердження. Цей процес відбувається при зіткненні масивних об'єктів накшталт нейтронних зір, нейтронної зорі та чорної або двох чорних дір, які можна зафіксувати.
На сьогодні астрономія гравітаційних хвиль може визначити місце зіткнення а також розмір, масу та природу об'єктів, що зіткнулися.
У 2021 році група науковців провела дослідження в межах якого спробувала пояснити дивну поведінку гравітаційних хвиль під час події GW190521.
Спочатку вважалося, що сигнал це злиття двох чорних дір середньої маси, але гравітаційні хвилі виглядали нетипово. Зокрема перед самим злиттям хвилі не проходили інспіральну фазу. Річ у тім, що при наближенні один до одного орбітальна швидкість об'єктів збільшується, що призводить до того що збільшується частота інтенсивності гравітаційних хвиль. Це звична картина для зіткнення таких об'єктів
Але проблема що дане зіткнення майже не містить інспіральної фази.
Науковці вирішили змоделювати, як будуть поводитися гравітаційні хвилі при зіткненні двох бозонних зірок і виявилося, що моделі досить добре узгоджуються із спостереженнями. Можливо вчені змогли вперше "доторкнутися" до злиття бозонних зірок, але самі науковці кажуть що їхнє моделювання виглядає лише трохи краще за моделі злиття нейтронних зір або чорних дір.
Невідомо чи існують вони в реальності чи тільки на папері у вигляді математичних рівнянь особливо зважаючи на те, що ідея бозонної зірки заснована на гіпотетичному виді бозонів - аксіон. Але спостерігаючи, яку увагу науковці приділяють екзотичним об'єктам думаю було доцільно розповісти принаймі про одного з них.