Czarne dziury lub gwiazdy bozonowe - dwa możliwe źródła najbardziej intrygującej fali grawitacyjnej

Fot: Odtworzenie połączenia dwóch gwiazd bozonowych Nicolás Sanchis-Gual / Rocío García Souto 

Fuzja gwiazd bozonowych - teoretycznego obiektu, którego jeszcze nie zaobserwowano - mogłaby wyjaśnić pochodzenie enigmatycznej fali grawitacyjnej, której wykrycie ogłoszono we wrześniu 2020 roku i początkowo przypisywano połączeniu dwóch czarnych dziur. 

Kiedy pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych, które Albert Einstein przewidział sto lat wcześniej, zostało ogłoszone w 2016 r., naukowcy zapewniali, że otworzyło się wówczas nowe okno dla astrofizyki. Twierdzili, że te fale w strukturze czasoprzestrzeni wytwarzane przez wysoce energetyczne zdarzenia we wszechświecie pozwoliłyby im obserwować i “słyszeć” kosmos w inny sposób, uchwycić nowe typy ciał niebieskich i dostarczyć wskazówek dotyczących natury ciemnej materii. Od tego czasu detektory Advanced LIGO (w USA) i Virgo (we Włoszech) wychwyciły pięćdziesiąt fal grawitacyjnych generowanych podczas łączenia się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych.  

Jednak możliwe jest, że jeden z nich, GW190521, którego wykrycie zostało ogłoszone we wrześniu 2020 roku i początkowo przypisywane połączeniu dwóch czarnych dziur, ma inne i ekscytujące pochodzenie, jak argumentuje międzynarodowy zespół w czasopiśmie Physical Review Letters, kierowanym przez Juana Calderóna Bustillo z Galicyjskiego Instytutu Fizyki Wysokich Energii (IGFAE).Jest bowiem możliwe, że za pomocą fal grawitacyjnych uzyskano pierwszy dowód na istnienie obiektu, który do tej pory pozostawał teorią: gwiazdy bozonowe. „Są ciemne, nie wytwarzają promieniowania elektromagnetycznego, w przeciwieństwie do normalnych gwiazd, takich jak nasze Słońce, czy gwiazdy neutronowe. Są uważane za egzotyczne obiekty zwarte lub imitatory czarnych dziur, ponieważ ich efekty grawitacyjne są podobne do tych wytwarzanych przez czarne dziury, tylko że one nie mają horyzontu zdarzeń”- definiuje José Antonio Font, badacz z Uniwersytetu w Walencji i współautor tej pracy. 

WĄTPLIWOŚCI DOTYCZĄCE POCHODZENIA GW190521 

Kiedy gwiazdy bozonowe łączą się, tworzą hipermasywną gwiazdę, która staje się niestabilna i zapada się w czarną dziurę, generując sygnał identyczny z tym, który LIGO i Virgo zaobserwowali 21 maja 2019 roku.Tak więc pierwsza analiza sygnału GW190521, opublikowana we wrześniu 2020 r., wykazała, że ​​jest on zgodny z połączeniem dwóch czarnych dziur o masie 85 i 66 mas Słońca, w wyniku czego powstała czarna dziura o wielkości 142 mas Słońca. Ta ostatnia była pierwszą z nowej rodziny czarnych dziur o masach pośrednich. Był to wynik o ważnych implikacjach, ponieważ kategoria ta była obecnie uważana za pewien rodzaj brakującego ogniwa między dwiema już znanymi rodzinami: czarnymi dziurami o masie gwiazdowej (które powstają w wyniku zapadnięcia się gwiazdy) i supermasywnymi (które ukrywają się w centrach galaktyki, w tym naszą własną, Drogę Mleczną).Ale nie wszystko się tu zgadzało. Jak wyjaśnia Font, większa z dwóch czarnych dziur biorących udział w tym połączeniu (ta o masie 85 mas Słońca) nie mogła być wynikiem zapadnięcia się gwiazdy, co wzbudziło wątpliwości co do jej natury i skłoniło ich do poszukiwania nowych wyjaśnienia, jak przykładowo pochodzenie gwiazd bozonowych - propozycja zgodna z ich modelami. 

Jeśli rzeczywiście gwiazdy bozonowe stoją za tą falą grawitacyjną, byłby to pierwszy dowód na istnienie tych hipotetycznych obiektów postulowanych przez fizykę teoretyczną w latach 60. XX wieku, które stanowią jeden z głównych składników do formowania ciemnej materii, która stanowi 27% Wszechświata. „Znana fizyka mówi nam, że mogą się uformować. To, że istnieją we wszechświecie, to inna historia, tego właśnie szukamy” - dodaje. 

„Fale grawitacyjne mogą pozwolić nam odkryć tego typu ciemne obiekty. Problem, z którym się spotykamy, polega na tym, że promieniowanie grawitacyjne związane ze zderzeniem dwóch gwiazd bozonowych (które analizowaliśmy w artykule) jest bardzo podobne do tego, które spowodowałoby podobne zderzenie dwóch czarnych dziur (oczywiście o tej samej masie co odpowiadające im gwiazdy bozonowe)." Oznacza to, że po porównaniu GW190521 z komputerowymi symulacjami łączenia się gwiazd bozonowych stwierdzili, że wyjaśniają one dane nieco lepiej niż analiza przeprowadzona przez LIGO i Virgo. Oznacza to, że ​​istnieje większa szansa, że ​​ich pochodzenie to gwiazdy bozonowe. Nie można jednak wykluczyć, że zostały stworzone przez czarne dziury. 

NOWA CZĄSTECZKA, ULTRALEKKI BOSON 

Ponadto zespół ten obliczył masę podstawowego składnika tych gwiazd, nowej cząstki znanej jako ultralekki bozon, która jest miliardy razy lżejsza od elektronu. „Znów teoretycznie wiemy, że typ cząstki bozonowej, która mogłaby stanowić te gwiazdy, musi być podobny do bozonu Higgsa, chociaż w przypadku gwiazd bozonowych powinien on ważyć znacznie mniej, być ultralekki” - wyjaśnia. 

Według Fonta tę pracę należy uznać za dowód koncepcji, który pokazuje, że korzystając z obserwacji fal grawitacyjnych, a konkretnie GW190521, można przedstawić argumenty na rzecz innych wyjaśnień pochodzenia sygnału, co może mieć bardzo głębokie implikacje i prowadzi do innych odkryć (w tym przypadku możliwego istnienia ciemnych gwiazd złożonych z ultralekkich cząstek bozonowych), które również zostały postulowane w celu wyjaśnienia tajemniczej ciemnej materii. Myślę, że właśnie w tym leży kwestia naszego zainteresowania, co może mieć głębokie i całkiem interesujące konsekwencje. 

Jeśli chodzi o konsekwencje tej propozycji na badania o ciemnej materii, Font uważa, że ​​„musimy być ostrożni. Zobaczymy, co przyniesie przyszłość i czy model przetrwa, mając na uwadze nowe odkrycia. Pewne jest to, że ta analiza okazuje się bardzo zabawna i ekscytująca i że gdyby w którymś momencie można było zauważyć, że model nadal dobrze pasuje do nowych obserwacji, pojawiłyby się mocniejsze argumenty, aby zacząć myśleć, że być może ciemna materia może składać się z podstawowych pól bozonowych. Mamy kilka propozycji próbujących wyjaśnić, czym jest ciemna materia: WIMP, pierwotne czarne dziury i ultralekkie bozony, które tworzą gwiazdy bozonowe. 

Autor: 
TERESA GUERRERO , tłum: ALEKSANDRA SZUPKE

Dodaj komentarz

CAPTCHA
Przepisz kod z obrazka.
5 + 6 =
Rozwiąż proszę powyższe zadanie matematyczne i wprowadź wynik.