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.
Бозоны, фермионы, фотоны
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.
Фермион — 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 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. Предполагалось, что двойные бозонные звезды, возможно, могут быть обнаружены по испускаемому ими гравитационному излучению.
До недавнего момента.
Что выяснили ученые?
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 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.
Ранее, 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.
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 «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.
spacetelescope.org
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: «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».
Читайте также
Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят
Ученые обнаружили предел скорости в квантовом мире
Электронвольт — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки. В Российской Федерации электронвольт допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «физика».
Квазичастица — понятие в квантовой механике, введение которого позволяет существенно упростить описание сложных квантовых систем со взаимодействием, таких как твёрдые тела и квантовые жидкости.
Постоянная Дирака, или постоянная Планка — Дирака, — иногда используемое название для приведённой (редуцированной) постоянной Планка — коэффициента, связывающего угловую частоту фотона (или другого кванта) с его энергией. Обычно постоянную Дирака называют рационализированной или приведённой постоянной Планка.
Квантовое состояние — любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система. Чистое квантовое состояние может быть описано:
- В волновой механике — волновой функцией,
- В матричной механике — вектором состояния, или полным набором квантовых чисел для определённой системы.
Эти описания математически эквивалентны.
Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдаемая в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10−16 см, что примерно в тысячу раз меньше размера протона.
Протон — одна из трёх (вместе с нейтроном и электроном) элементарных частиц, из которых построено обычное вещество. Протоны входят в состав атомных ядер; порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева равен количеству протонов в его ядре.
Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер; общее название для протонов и нейтронов — нуклоны.
Лептоны — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Наряду с кварками и калибровочными бозонами лептоны составляют неотъемлемую часть Стандартной модели.
Дырка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду, в полупроводниках. Представление о квазичастице с положительным зарядом и положительной эффективной массой есть не что иное, как терминологическая замена представлению о реальной частице с отрицательным зарядом и отрицательной эффективной массой.