Астрофизики нашли способ опознать прозрачные звёзды-призраки

Вселенная может быть наполнена удивительными прозрачными объектами, похожими на чёрные дыры. Состоят они из экзотических частиц. Теперь астрономы предложили способ найти такие небесные тела с помощью тех же телескопов, которые подарили нам первое изображение чёрной дыры.

Подробности изложены в научной статье, опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Прозрачные дыры?

Напомним, что все элементарные частицы во Вселенной делятся на два больших класса: фермионы и бозоны (мы подробно рассказывали, чем они отличаются). К первым относятся все составляющие атома (протоны, нейтроны и электроны), а также нейтрино и многие другие частицы. К бозонам же принадлежат, например, фотон и знаменитый бозон Хиггса.

Обычная материя состоит из протонов, нейтронов и электронов, то есть из фермионов. Но, кроме обычного вещества, во Вселенной есть и тёмная материя. Как считает большинство экспертов, она состоит из ещё не открытых физиками-экспериментаторами частиц. И многие из предложенных теоретиками кандидатов на эту роль (например, аксион) относятся как раз к бозонам.

Если в космосе действительно есть бозоны, которые не были обнаружены на Земле, то могут ли из них состоять целые небесные тела (так называемые бозонные звёзды)? Эта возможность давно изучается специалистами.

Учёные обсуждают свойства бозонов, которые могли бы позволить им собираться в большие объекты. Так, установлено, что для этого частицы должны иметь ненулевую, но всё же очень малую массу: менее 10-17 электронвольт (напомним, что физики часто измеряют массу частиц в единицах энергии, пользуясь знаменитой формулой E = mc2). Пока физикам-экспериментаторам ничего не известно о существовании таких бозонов, но, как говорится, ещё не вечер.

Но, если бозонные звёзды действительно существуют, то на что они должны быть похожи для астронома-наблюдателя? Как ни удивительно, на чёрные дыры. Озвучивалась даже гипотеза, что некоторые объекты, которые мы принимаем за сверхмассивные чёрные дыры, на самом деле являются бозонными звёздами.

Как и чёрные дыры, подобные гипотетические тела могут иметь огромную массу при сравнительно скромных размерах. А ещё они не испускают никакого собственного излучения. Правда, бозонные звёзды не чёрные, а прозрачные. То есть они не поглощают свет, а свободно пропускают его сквозь себя. Но в вечной тьме космоса одинаково сложно заметить как абсолютно чёрный, так и абсолютно прозрачный объект, а уж тем более отличить их друг от друга.

Результаты моделирования тени центрального объекта галактики М87 в зависимости от природы этого объекта.

Слева направо: тень невращающейся чёрной дыры, тень вращающейся чёрной дыры и тень бозонной звезды. Так они выглядели бы для системы радиотелескопов EHT.

Вглядываясь в тень

Однако выход есть. Сверхмассивные чёрные дыры мы обычно наблюдаем благодаря свечению падающего на них вещества. И вот здесь, как утверждают авторы нового исследования, кроется возможность отличить их от бозонных звёзд.

Напомним, что в 2019 году астрономы получили первое прямое изображение чёрной дыры – сверхмассивного монстра в центре галактики М87. Этот объект окружён облаком падающего на него вещества, которое интенсивно испускает радиоволны.

Наблюдатели использовали систему радиотелескопов Event Horizon Telescope (EHT), состоящую из восьми антенн, разнесённых на тысячи километров. Такая сеть имела возможность различать очень тонкие детали. Будь это оптический телескоп, в него можно было бы из Москвы читать газету, находящуюся во Владивостоке. Благодаря этому астрономы различили чёрную дыру в центре окружающего её излучающего облака.

Говоря точнее, EHT наблюдал не саму поверхность чёрной дыры (горизонт событий), а так называемую тень. Это тёмная область, которая образуется из-за воздействия гравитации чёрной дыры на окружающие фотоны. Чёрная дыра находится в самом центре тени и в несколько раз меньше её по радиусу.

Авторы новой статьи задались вопросом: что "увидел" бы EHT, если бы в центре М87 была не чёрная дыра, а бозонная звезда?

Для этого исследователи смоделировали излучение вещества, падающего на бозонную звезду. Как и ожидалось, бозонная звезда в этом отношении была очень похожа на чёрную дыру. Но всё же астрофизики обнаружили отличия.

Так, оказалось, что бозонная звезда той же массы, что и центральная чёрная дыра М87, имела бы тень значительно меньшего диаметра. Исходя из реально измеренного диаметра тени, можно с уверенностью сказать: перед нами всё-таки чёрная дыра.

Однако коллаборация EHT не собирается останавливаться на наблюдении М87. На очереди изучение центральных объектов других галактик. Возможно, у какого-то из них обнаружится слишком скромная тень для его массы. И это станет поводом заподозрить, что это на самом деле бозонная звезда.