Что посылает на Землю загадочные сигналы из глубин Вселенной?

Американские астрономы обнаружили целый класс космических объектов, о которых ученые ранее не имели представления. Речь идет о карликовых черных дырах, которые занимают промежуточное положение между самыми массивными нейтронными звездами и черными дырами небольшой массы, чье существование не вызывало сомнений. Однако в последние годы появляются все больше сообщений о необычных космических явлениях, которые могут быть вызваны совершенно экзотическими объектами. «Лента.ру» рассказывает о гипотетических звездах, чье существование, возможно, никогда не будет доказано.

Одним из космических феноменов, чья природа окончательно не раскрыта, является гамма-всплеск — выброс большого количества энергии в виде колоссального взрыва, который наблюдается в отдаленных галактиках, в миллиарде световых лет от Земли. Несмотря на чрезвычайную редкость этих световых сигналов, астрономы постоянно регистрируют их благодаря тому, что гамма-всплески — одни из самых ярких событий во Вселенной. Существует их меньший аналог, называемый повторяющимися мягкими гамма-всплесками, и причиной могут являться нейтронные звезды с чрезвычайно сильными магнитными полями.

Гамма-всплески традиционно связывают со сверхновыми, когда массивная звезда коллапсирует в нейтронную звезду или черную дыру. Однако точный механизм их возникновения пока неизвестен, что оставляет место спекуляциям. Например, в момент своей гибели звезда, испускающая гамма-всплеск, превращается не в черную дыру, а в нечто на нее похожее — гравастар.

Квазизвезда в сравнении с другими звездами
Изображение: Wikipedia

Некоторые звезды на заре существования Вселенной могли быть достаточно массивными, чтобы внутри них зародились черные дыры, но внешняя оболочка оставалась стабильной миллионы лет. Такая звезда излучала бы свет как целая галактика.

Гравастар внешне похож на черную дыру, которая поглощает материю, порождает высокоэнергетическое излучение, а также излучение Хокинга. Однако внутри он имеет совершенно другую метрику, называемую пространством де Ситтера, и, по сути, обычный вакуум с положительной космологической постоянной. В центре гравастара содержится темная энергия, которая препятствует сжатию внешней оболочки в сингулярность.

Типичный горизонт событий у гравастара отсутствует, его появление предотвращает ультратонкая темная «скорлупа» из практически неразрушимой материи, которая ведет себя подобно идеальной жидкости. По словам физика Эмиля Моттолы (Emil Mottola), который предположил о существовании гравастаров в 2002 году, любое тело, упавшее на гравастар, будет уничтожено и «ассимилировано» в оболочку. В то же время гравастар может переизлучать материю, что делает его даже более ярким источником энергии, чем черные дыры.

Другие гипотетические объекты — звезды темной энергии — немного похожи на гравастар. Они также рождаются при гибели массивной звезды, но коллапсирующее вещество никогда не достигает состояния сингулярности. Вместо этого материя распадается на легкие частицы и «капли» темной энергии, которая создает давление, достаточное, чтобы сдержать коллапс. При распаде частиц образуются космические лучи — потоки высокоэнергетических частиц, в том числе позитронов, которые также фиксируются учеными. Звезды темной энергии придумал в 2005 году Джордж Чаплайн (George Chapline), физик из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (США). Он считает, что настоящих черных дыр не существует — есть только звезды темной энергии.

Как и в случае с гравастаром, поведение звезды темной энергии можно описывать с помощью квантово-механической жидкости, порождаемой конденсатом Бозе-Эйнштейна (бозе-конденсат). Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой фазовое состояние вещества, образованное бозонами — частицами, которые могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (грубо говоря, их принципиально нельзя отличить одну от другой даже по положению в пространстве). Это отличает бозоны от фермионов (например, электронов), в отношении которых действует знаменитый принцип запрета Паули, который проходят еще в школе.

Физики используют квантово-механические свойства конденсата Бозе-Эйнштейна (например, сверхтекучесть) для описания свойств искривленного пространства-времени. В модели Чаплайна у горизонта событий звезда темной материи происходит фазовый переход пространства времени в некий аналог бозе-конденсата, в результате чего объекты, падающие на горизонт событий, для внешнего наблюдателя перестают бесконечно замедляться. Вкупе с отсутствием сингулярности в центре звезды темной энергии позволяли примирить теорию относительности с квантовой механикой.

Конденсат Бозе-Эйнштейна также оказался полезным в предсказании экзотических объектов совершенно другого типа — бозонных звезд. Бозонная звезда, или Бозе-звезда, представляет собой удерживаемый собственной гравитацией гигантский сгусток конденсата. Предполагается, что такой объект может состоять из темной материи, которая образована какими-то неизвестными частицами-бозонами, например, сверхлегкими КХД-аксионами. Бозонная звезда из темной материи совершенно прозрачна и невидима, но ее возможно обнаружить по гравитационному взаимодействию с обычным веществом. Плотная бозонная звезда своим мощным гравитационным полем будет искривлять траектории световых лучей, создавая пустую область — аналог тени горизонта событий черной дыры.

Как и черная дыра, бозонная звезда будет поглощать материю, но настоящего горизонта событий у нее нет. Поскольку она прозрачна, поглощенное вещество, которое может нагреваться и испускать излучение, будет видно в центре. Вращающаяся бозонная звезда должна приобретать форму бублика.

Хотя нет доказательств, что бозонные звезды действительно существуют, они могли бы быть причиной некоторых высокоэнергетических явлений, происходящих в ядрах активных галактик. Кроме того, Бозе-звезды являются одним из кандидатов на роль скоплений темной материи, определяющих эволюцию галактик. Согласно современным представлениям, галактики формируются благодаря гравитационному притяжению масс темной материи, называемых гало. Гало окружает галактический диск и простирается далеко за его пределы, при этом являясь основным компонентом общей массы галактики. Некоторые ученые рассматривают гало темной материи как гигантскую Бозе-звезду.

Еще одним объектом, состоящим из гипотетических частиц, является преонная звезда. Преоны — это частицы, из которых могут состоять кварки. Преонные звезды обладают большей плотностью, чем нейтронные звезды, но все еще неспособны коллапсировать в черную дыру. В диаметре они могут достигать одного метра (если содержат массу ста планет Земля) или быть размером с горошину (вмещают массу Луны).

Также промежуточное место между нейтронными звездами и черными дырами занимают кварковые звезды, образующиеся при коллапсе настолько массивной звезды, что нейтроны не способны сдержать сжатие и распадаются на кварки. Кварковая звезда — это гигантская частица-нуклон. Если в ее составе присутствуют кварки с ароматом s (странные кварки), то такую звезду называют странной.

Существование подобных звезд обычно ставится под сомнение научным сообществом. Тщательное наблюдение за различными объектами позволяет исключить свойства, присущие гравастарам и другой экзотике. В новой статье, опубликованной в журнале Nature, сообщается об обнаружении объекта, который массивнее нейтронной звезды, но меньше обычных черных дыр, находящихся в диапазоне масс 5-15 Солнц. Этот объект вращается вокруг гигантской красной звезды, а его масса сравнима с 3,3 Солнца. Однако астрономы склонны полагать, что они нашли именно черную дыру, пусть и относящуюся к невиданному ранее классу карликовых черных дыр.

***

Скорее всего, во Вселенной существует (или существовало) еще множество объектов, которые не вписываются в современные представления о космосе. Некоторые из них уже обнаружены, например, субкарликовые пульсаторы (не путать с пульсарами) или необычные типы сверхновых. Возможно, они не так потрясают воображение, как гравастары, но ученым они интересны прежде всего тем, что они реальны.