Гравитационное линзирование отличило черную дыру от бозонной звезды

Бозонные звезды во многом похожи на черные дыры, однако их можно отличить с помощью гравитационного линзирования. Физики из Португалии и Испании показали, что это действительно можно сделать, а также выяснили, что бозонные звезды быстро коллапсируют в черные дыры. Статья опубликована в Physical Review D.

Черные дыры отличаются от других массивных объектов тем, что у них есть горизонт событий. Другими словами, вокруг черной дыры существует область, из которой свет не может выйти во внешнее пространство — например, в случае незаряженной не вращающейся черной дыры (черная дыра Шварцшильда) это просто шар с радиусом, равным гравитационному радиусу дыры. Из-за наличия такой области, в частности, на фотографиях черная дыра должна казаться большим черным кругом.

На данный момент астрономы нашли около тысячи объектов, похожих на черные дыры, однако разглядеть у них горизонт событий пока не удавалось. Исходя из этого ученые предположили, что могут существовать другие объекты, похожие на черные дыры, но не имеющие горизонта событий. Одним из возможных кандидатов в такие объекты являются ультракомпактные бозонные звезды — массивные звезды, состоящие из скалярных или векторных бозонов (то есть бозонов со спином s = 0 или s = 1) и слабо взаимодействующие с обычным веществом. Например, в качестве таких бозонов могут выступать гипотетические частицы темной материи. Напомним, что обычные звезды в основном состоят из фермионов — протонов и нейтронов.

В данной работе физики показали, что такие звезды действительно во многом похожи на черные дыры, однако различить эти два объекта в принципе можно. Для этого ученые смоделировали, как черная дыра и бозонная звезда искажают (линзируют) свет, проходящий мимо них. Каждый из этих объектов они поместили на красно-зелено-сине-желтый фон с белой точкой («фоновой звездой») в центре и нанесенной координатной сеткой, а затем численно рассчитали, что будет видеть наблюдатель, находящийся строго напротив белой точки. Расчеты они выполнили так же, как в более старой своей работе.

В картинке линзирования на черной дыре можно выделить две главные особенности. Во-первых, вокруг нее возникает белое кольцо с радиусом, равным полутора гравитационным радиусам дыры. Это так называемое кольцо Эйнштейна, астрономы сравнительно часто наблюдают его вокруг реальных объектов (например, когда изображение фоновой галактики разделяется на несколько одинаковых картинок, размазанных по кругу). Во-вторых, черная дыра «отбрасывает тень» из-за того, что свет не может покинуть область, находящуюся внутри горизонта событий. В-третьих, между кольцом Эйнштейна и горизонтом событий фоновое изображение копируется бесконечное число раз, все сильнее сжимаясь при приближении к горизонту. На изображении, полученном учеными, это не очень хорошо видно, однако при увеличении масштаба структура будет повторяться.

Для бозонной звезды картинка получается немного другая. Вокруг нее также возникает кольцо Эйнштейна с радиусом, примерно равным полутора гравитационным радиусам звезды, однако им дело не ограничивается. В отличие от черной дыры бозонная звезда не имеет горизонта событий и не отбрасывает тень, поэтому эта область оказывается заполнена повторяющимися копиями фонового изображения, разделенными кольцами Эйнштейна с меньшим радиусом. Таким образом, если бы астрономы смотрели на бозонную звезду в телескоп с не очень хорошим разрешением, они могли бы спутать ее с черной дырой (если бы разглядели только первое кольцо Эйнштейна). Однако при более подробных наблюдениях эти два объекта различить можно.

Кроме того, ученые проверили (снова с помощью численного моделирования), как бозонные звезды и черные дыры эволюционируют со временем, если приложить к ним внешнее возмущение. Оказалось, что бозонные звезды неустойчивы и довольно быстро коллапсируют в черные дыры, причем время жизни звезды прямо пропорционально ее массе (то есть менее массивные звезды превращаются в дыры быстрее). Разумеется, после коллапса они ведут себя как настоящие черные дыры, и при внешних возмущениях в них возникают так называемые квазинормальные моды (quasinormal modes).

Ранее ученые придумали способ отличить черную дыру Шварцшильда от геона ℝP³ с помощью детектора Унру-ДеВитта — прибора, который измеряет состояния скалярного квантового поля. Также мы недавно писали о том, как фотонная сфера, окружающая черную дыру, становится фрактальной при наложении внешнего квадрупольного возмущения.

Дмитрий Трунин