Принято считать, что все объекты во Вселенной могут вращаться, будь то звезда, планета или галактика. К примеру, многие из компактных несветящихся объектов, которые принято отождествлять с черными дырами, должны крутиться вокруг своей оси как волчки. Сейчас ученые активно обсуждают возможность интерпретации части этих объектов как несветящихся звезд, состоящих из так называемой темной материи. В исследовании российских ученых было показано, что такие «темные» звезды не могут вращаться. И это способ отличить их от черных дыр.
Фото: NASA, ESA, D. Coe, N. Benitez, T. Broadhurst and H. Ford
Фото: NASA, ESA, D. Coe, N. Benitez, T. Broadhurst and H. Ford
Темная материя — субстанция, которую мы не можем наблюдать, но можем судить о ее наличии, так как видим гравитационное влияние, которое она оказывает на наблюдаемую материю.
Сейчас физики и астрономы считают, что в основном Вселенная состоит из частиц темной материи и свойства этих частиц пока неизвестны. Так вот, если масса таких частиц мала, то они вполне способны образовать сверхтекучую жидкость. Под действием самогравитации жидкость сформирует шары — Бозе-звезды. Появление таких объектов было предсказано сразу в нескольких моделях легкой темной материи. Например, известно, что если частицы темной материи обладают минимальной массой порядка 10^{–22} электрон-вольт, то в каждой галактике должна появиться гигантская Бозе-звезда, занимающая весь ее центр размером в несколько сотен парсек. В других моделях Бозе-звезды могут быть маленькими и обладать массой порядка солнечной, то есть напоминать астрофизические черные дыры.
Изучению свойств таких звезд посвящена статья физиков-теоретиков Института ядерных исследований РАН Игоря Ткачева, Александра Панина и Дмитрия Левкова и их соавторов, принятая к публикации в авторитетном журнале Physical Review D. Ученые утверждают, что Бозе-звезды не вращаются, так как состоят из конденсата Бозе—Эйнштейна — сверхтекучей жидкости («сверхжидкости»), которая вращается крайне неохотно, а если и вращается, то необычным способом.
Квантовый конденсат Бозе—Эйнштейна может двигаться, не испытывая вязкости, то есть не теряя энергии из-за трения соседних слоев жидкости друг об друга. Такой конденсат образуют квантовые частицы—бозоны, охлажденные до достаточно низкой температуры. Чтобы понять, как ведет себя вращающийся конденсат, достаточно покрутить воду в озере палкой. В воде образуется «вихрь» — столбик воздуха, вытянутый вдоль вертикальной оси. Вокруг этого столбика и вращается вода. В обычных жидкостях вихревое движение требует постоянного притока энергии, которая тратится на трение. Но вихри в сверхтекучих жидкостях могут существовать долгое время и появляются всегда, когда происходит вращение.
Наиболее известным примером «сверхжидкости» является гелий-4, сверхтекучесть которого обнаружена в лаборатории Петром Капицей в 1937 году.
Может ли конденсат Бозе—Эйнштейна существовать в космосе? Конечно, невозможно представить, что кто-то специально заполнил области Вселенной очищенным гелием-4. Бозе-звезды из темной материи предоставляют другую интригующую возможность.
Заставить Бозе-звезды крутиться — непросто. Для этого через них надо «просверлить дырку», то есть добавить вихрь, что требует затрат энергии, а получившаяся вращающаяся Бозе-звезда приобретает форму бублика. Но в своей статье ученые продемонстрировали, что такой «бублик» является нестабильным, с коротким временем жизни. Сразу после образования он начинает выбрасывать из себя частицы, которые уносят угловой момент на периферию. После распада такой звезды появляется конфигурация, подобная Сатурну,— невращающаяся Бозе-звезда плюс вращающееся вокруг нее облако частиц темной материи. В данной статье физики доказали, что вращающиеся Бозе-звезды разрушаются подобным образом во всех моделях темной материи. Единственное исключение — экзотические модели, где квантовый конденсат темной материи имеет большое положительное внутреннее давление, которые стабилизируют Бозе-звезды.
Обнаруженная учеными нестабильность может быть важна для космологических и астрономических наблюдений.
Во-первых, не стоит искать вращающиеся Бозе-звезды темной материи, имеющие форму бублика. Такие объекты не могут заменить собой вращающиеся черные дыры. Даже если они и появились на каком-то этапе развития Вселенной, то сразу разрушились.
Во-вторых, сейчас активно обсуждаются сценарии, где многие черные дыры нашей Вселенной образуются из объектов темной материи. Cлияние черных дыр сейчас видят эксперименты по поиску гравитационных волн. Так вот, если часть таких объектов образовались в результате коллапса Бозе-звезд темной материи, то можно с уверенностью сказать, что их угловой момент равен нулю. Это предсказание может быть проверено экспериментально.
«Одной из мотиваций нашего исследования был интерес к загадочному явлению быстрых радиовспышек. Непонятен механизм происхождения радиовспышек, общепринятого астрофизического объяснения до сих пор еще нет. С другой стороны, очень похожее явление возникает в моделях с “новой физикой”, при взрывах аксионных звезд. Это специальный частный случай Бозе-звезд. Вращение облегчало бы условия, при которых аксионная звезда взрывается»,— рассказал академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Игорь Ткачев.
Различие между черной дырой и Бозе-звездой заключается в том, что черная дыра притягивает к себе все объекты с такой силой, что любая частица, даже фотон света, перейдя горизонт этой дыры, не может вернуться обратно. В то же время гравитационное поле Бозе-звезды не такое сильное. Мы могли бы в принципе наблюдать испущенное ей излучение, но она не светится.
«Черные дыры обычно образуются при коллапсе звезд. Такие черные дыры должны быстро вращаться. Поясню. Все видели фигуристку, которая, вращаясь на льду, сначала расставляет руки, а потом поднимает их над головой и начинает вращаться еще сильнее, это следствие закона сохранения углового момента. Так же и звезда, коллапсируя, она поджимается, поэтому будет вращаться еще быстрее, превращаясь в черную дыру. Например, сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центрах галактик, вообще вращаются с максимальной скоростью, которая приближается к скорости света»,— дополнил Игорь Ткачев.
Как мы видим, иногда правильное решение задачи является контринтуитивным. Ведь кажется, что все объекты могут вращаться во Вселенной. Кроме Бозе-звезд.