Возможно, зафиксировано столкновение бозонных звезд

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. 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.

«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, а в результате их слияния образуется большая бозонная звезда, которая со временем может стать нестабильной и схлопнуться в черную дыру. В отличие от обычных звезд бозонные звезды состоят из сверхлегких бозонов, которые являются одними из наиболее привлекательных кандидатов в темную материю», – рассказывают авторы исследования.

Гравитационные волны – это рябь в ткани пространства-времени, движущаяся со скоростью света. Их источниками являются самые жестокие событий во Вселенной.

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.

«Однако на гравитационные волны возлагаются гораздо большие надежды, поскольку они в конечном итоге могут предоставить нам доказательства существования ранее ненаблюдаемых и даже неожиданных объектов и пролить свет на современные загадки, такие как природа темной материи. И последнее, возможно, уже произошло», – отмечают авторы исследования.

В сентябре 2020 года коллаборация LIGO и Virgo объявила о фиксации гравитационно-волнового сигнала GW190521. Согласно их анализу, он указывает на слияние двух черных дыр с массами в 85 и 66 солнечных. Результатом события стало образование черной дыры, превосходящей по массе Солнце в 142 раза.

Такая необычная масса участников столкновения стала большой проблемой, поскольку, 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.

«Мы предлагаем альтернативное объяснение происхождения сигнала GW190521: столкновение двух экзотических объектов, известных как бозонные звезды. В ходе своего анализа нам также удалось оценить массу новой частицы, составляющей эти объекты – сверхлегкого бозона с массой в миллиарды раз меньше массы электрона», – пояснили авторы исследования.

В рамках исследования физики сравнили данные события GW190521 со смоделированным сигналом гравитационных волн от слияния бозонных звезд и обнаружили, что их результаты объясняют наблюдения немного лучше, чем анализ, проведенный LIGO и Virgo.

«Во-первых, нам больше не нужны черные дыры, что устраняет проблему с их «запрещенными» массами. Во-вторых, поскольку слияние бозонных звезд намного «тише», мы предполагаем гораздо более близкое расстояние от источника до Земли по сравнению с оценкой LIGO и Virgo. Это, в свою очередь, приводит к большей массе результирующего объекта, примерно в 250 масс Солнца, так что факт образования черной дыры промежуточной массы остается верным», – сообщили авторы исследования.

Физики отмечают, что сценарии с черными дырами и бозонными звездами почти неразличимы с учетом имеющихся на сегодня данных, хотя гипотеза экзотических объектов немного предпочтительнее. Более развитая модель бозонных звезд может склонить чашу весов в одну из сторон, а также заставить пересмотреть другие события гравитационных волн на предмет их источников.

«Один из самых захватывающих результатов нашей работы заключается в том, что мы можем измерить массу этой предполагаемой новой частицы темной материи, и нулевое значение отбрасывается с высокой степенью уверенности», – заключили авторы исследования.