Звезды-призраки. Ученые о невероятных космических объектах

Общая теория относительности предусматривает существование звезд из антивещества, стабильных бозонов и темной материи. Но обнаружить их до сих пор не удалось. Несколько научных групп предположили, как могут выглядеть столь необычные объекты и сколько их в нашей Галактике.

Антизвезды

По современным представлениям, в первые мгновения после Большого взрыва образование каждой частицы материи сопровождалось появлением такой же, но противоположно заряженной частицы антивещества. Притягиваясь друг к другу, они аннигилировали, но вещества оказалось на одну миллиардную долю больше. Из него и сложилась вся материальная часть космоса.

Однако не исключено, что во Вселенной сохранились непроаннигилировавшие сгустки антивещества. Более того, за миллиарды лет они могли соединиться, образовав антизвезды. Они должны выглядеть как обычные звезды с одним лишь отличием — при попадании в них частиц материи, например атомов водорода, возникнут характерные импульсы гамма-излучения — из-за аннигиляции.

По таким гамма-вспышкам и предлагают искать антизвезды ученые Института исследований астрофизики и планетологии Тулузского университета. Из 5787 источников излучения, зафиксированных за десять лет космическим гамма-телескопом Fermi и занесенных в каталог LAT (Large Area Telescope), отобрали не идентифицированные и со спектром, совместимым с аннигиляцией барионов и антибарионов.

Таких оказалось 14. Объединив расчеты с моделированием аккреции антизвезд, исследователи получили верхний предел количества таких объектов в нашей Галактике — 2,5 х 10-6. То есть на один миллион обычных звезд — не более 2,5 антизвезды, при условии, что они похожи на обычные.

Как бы то ни было, авторы подчеркивают: достоверной информации об антивеществе во Вселенной пока нет, а все построения чисто теоретические.

Расположение 14 потенциальных звезд из антивещества в нашей Галактике

Звезды из темной материи

По оценкам, на темную материю приходится примерно 85 процентов материальной Вселенной. Но темное вещество нельзя обнаружить, так как оно не поглощает, не отражает и не испускает электромагнитное излучение. Из астрономических наблюдений известно, что некая скрытая масса меняет орбиты звезд в галактиках, однако частицы, из которых эта скрытая масса состоит, никто еще не регистрировал.

Одна из гипотез предполагает, что темная материя не распределена равномерно по Галактике, а представляет собой скалярное поле со "сгустками" — своего рода "темными звездами", состоящими из "даркино", или "темных фермионов".

Недавно итальянские ученые из Международного центра релятивистской астрофизики в Пескаре (ICRANet) предположили, что в центре нашей Галактики находится не сверхмассивная черная дыра, а ядро темной материи. По их мнению, приняв такую точку зрения, легче объяснить отклонения орбитальных скоростей во внешних областях Млечного Пути, а также поведение странных объектов, вращающихся вокруг центра Галактики, так называемых G-источников.

У них очень вытянутая орбита, они то сжимаются, то растягиваются и удлиняются. Считают, что это газово-пылевые облака с расположенными внутри них звездами.

На примере орбит одного из этих источников — G2 — и звезды S2 астрофизики из ICRANet продемонстрировали, что при движении эти объекты испытывают сопротивление, а это не согласуется с моделью черной дыры. В результате возникла гипотеза о сгустке темной материи в центре Галактики. На окраинах он становится очень тонким, вплоть до диффузной концентрации.

Исследователи считают, что при определенных условиях — превышении критической массы — сгусток темной материи гравитационно коллапсирует в сверхмассивную черную дыру. Несмотря на свою экзотичность, эта гипотеза хорошо объясняет одну из загадок космологии — быстрое появление большого количества сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Орбиты объектов G, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики (обозначена белым крестом)

Бозонные звезды

Согласно Стандартной модели физики, частицы бывают двух видов: фермионы, из которых состоят строительные блоки материи, и бозоны, управляющие взаимодействиями, силами, позволяющими фермионам собираться вместе или, наоборот, заставляющими их разлетаться в разные стороны. На этих взаимодействиях основаны все природные процессы — от ядерного распада до преломления света, включая химические реакции.

Обычные звезды — это сгустки фермионов — протонов, нейтронов, электронов. Но чисто теоретически можно представить и сгустки бозонов — фотонов, глюонов, бозонов Хиггса или других, еще неизвестных квантовых частиц.

В начале этого года американские астрофизики высказали гипотезу, что источником рентгеновского излучения, исходящего от группы близлежащих нейтронных звезд, известных как Великолепная семерка, могут быть аксионы — бозоны, предложенные в свое время для объяснения нарушения СР-симметрии — симметрии взаимодействия между частицами и античастицами.

Аксион — это гипотетические частицы, которые в миллиард раз легче протонов и не взаимодействуют с обычной материей, поэтому их невозможно обнаружить даже с помощью самых точных инструментов. Это главные кандидаты на роль частиц темной материи.

Ожидают, что аксионы в магнитном поле распадутся на пары фотонов, поэтому искать их предлагают по избыточному излучению. Такое действительно наблюдают у некоторых нейтронных звезд и белых карликов с сильным магнитным полем.

Элементарные частицы

Однако настоящие бозонные звезды, возникшие в результате аккреции квантовых частиц, не излучают — там не происходят реакции ядерного синтеза. По мнению ученых, такие объекты полностью невидимы. Но, в отличие от черных дыр, прозрачны: нет поглощающей поверхности, которая останавливала бы фотоны, и нет горизонта событий — границы, за которую не вырывается свет.

Исследователи предполагают, что бозонные звезды могут быть окружены вращающимся кольцом плазмы по аналогии с аккреционным диском черной дыры. Если это так, тогда бозонные звезды похожи на светящийся пончик с темной областью внутри — примерно, как черная дыра М87*, снятая телескопом Event Horizon, но со значительно меньшей темной областью, чем тень от черной дыры такой же массы.

Черные карлики

Среди пока не обнаруженных, но теоретически возможных космических объектов есть и более реальные. Известно, например, что когда в звездах, подобных Солнцу, заканчивается топливо, необходимое для внутренних реакций, они превращаются в белые карлики — очень компактные сферы размером с Землю, где каждый кубический сантиметр весит около тонны.

Белые карлики продолжают по инерции светиться, но через несколько миллиардов лет остынут полностью и превратятся в черные карлики — не излучающие в видимом диапазоне. Это конечная стадия эволюции звездного вещества. Считается, что такие остывшие звезды обязательно возникнут во Вселенной, просто их время еще не настало.