W maju 2019 roku obserwatoria fal grawitacyjnych LIGO i Virgo wykryły fuzję dwóch czarnych dziur. Jedna z nich miała masę 85 Słońc, natomiast druga 66 mas Słońca. Zdarzenie to nazwano GW190521 i było największą zaobserwowaną dotychczas fuzją. W jej wyniku powstała czarna dziura o masie 142 mas Słońca, co czyni ją pierwszą obserwacją pośredniej czarnej dziury na falach grawitacyjnych. Jednak zdarzenie to zrodziło również kilka pytań.
Jedna z największych zagadek dotyczy mas dwóch początkowych czarnych dziur. Zgodnie z modelami gwiazdowymi, czarne dziury powstałe w wyniku zapadnięcia się dużej gwiazdy nie mogą być większe niż około 65 mas Słońca. Podczas gdy mniejsza z nich może być poniżej tego limitu, większa na pewno nie. Jak więc powstała czarna dziura o masie 85 mas Słońca?
Jeden z pomysłów zakłada, że jest ona wynikiem mniejszych fuzji. Jeśli w pobliżu znajduje się układ 4 do 6 czarnych dziur, mogły się one z czasem połączyć, tworząc jedną dużą czarną dziurę. Jednak ta gromada musiałaby również krążyć wokół czarnej dziury o masie 66 mas Słońca, aby mogła ona utworzyć fuzję GW190521. Istnieją pewne dowody na to, że gromady czarnych dziur mogą istnieć, ale czy mogą one łączyć się wystarczająco szybko, aby wyjaśnić GW190521, nie jest jasne. Dlatego niedawno pewien zespół zaproponował inne rozwiązanie. Proponują oni, że GW190521 nie była fuzją dwóch czarnych dziur, ale raczej fuzją dwóch gwiazd Proca.
Credit: R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Gwiazda Proca, czy też gwiazda bozonowa, jak się ją czasem nazywa, jest hipotetycznym obiektem analogicznym do białego karła lub gwiazdy neutronowej. Elementy składowe materii występują w dwóch ogólnych formach: fermiony, takie jak elektrony i kwarki, oraz bozony, takie jak gluony i cząstka Higgsa. Fermiony stawiają opór, zajmując ten sam stan kwantowy. Kiedy grawitacja próbuje ścisnąć fermiony razem, te odpychają się poprzez tzw. ciśnienie degeneracji. To właśnie to ciśnienie sprawia, że białe karły i gwiazdy neutronowe nie zapadają się pod swoim ciężarem.
Bozony nie mają problemu z zajmowaniem tego samego stanu kwantowego. W rzeczywistości super-chłodne bozony mogą tworzyć pojedynczy obiekt kwantowy znany jako Kondensat Bosego-Einsteina. Z tego powodu można by pomyśleć, że grawitacja nie będzie miała problemu z zapadnięciem się masy bozonów w czarną dziurę. Okazuje się jednak, że niezwykle gęste bozony w silnym polu grawitacyjnym zachowują się w nieoczekiwany sposób. Fizyka jest dość skomplikowana, ale efekt końcowy jest taki, że gwiazda bozonowa osiągnęłaby podobny impas grawitacyjny jak białe karły i gwiazdy neutronowe. Hipotetycznie, gwiazda bozonowa mogłaby być stabilna grawitacyjnie tak samo jak białe karły i gwiazdy neutronowe. Nawet więcej. Istnieje granica ciśnienia degeneracji, która oznacza, że białe karły nie mogą być większe niż 1,4 masy Słońca, a gwiazdy neutronowe nie mogą być większe niż 2-3 masy Słońca. Przy odpowiednich warunkach gwiazda bozonowa mogłaby mieć masę 85 Słońc lub większą.
Znana materia bozonowa nie mogłaby stać się gwiazdą Proca, ale niektóre teorie ciemnej materii proponują nowe rodzaje bozonów. Jeśli ciemna materia jest zbudowana z bozonów o niskiej masie, mogłyby one uformować się w obiekty podobne pod względem rozmiaru i masy do czarnych dziur. Ponieważ miałyby one silne pola magnetyczne (w przeciwieństwie do czarnych dziur), moglibyśmy odróżnić je od czarnych dziur na podstawie sposobu, w jaki światło soczewkuje wokół nich. Albo, jak proponuje najnowsza praca, moglibyśmy je wykryć dzięki falom grawitacyjnym.
Kiedy zespół przyjrzał się danym z przypadku GW190521, stwierdził, że są one zgodne zarówno z fuzją czarnych dziur, jak i z fuzją gwiazd Proca. Dane pasowały do obu modeli równie dobrze. Ponieważ właściwości gwiazdy Proca zależą od masy bozonów, które ją tworzą, użyto danych z GW190521 do zmierzenia masy bozonów. Otrzymana odpowiedź była niezwykle mała. Około bilionowej części szacowanej masy neutrin.
Nic z tego nie dowodzi, że gwiazdy Proca istnieją. Wszystkie zdarzenia związane z falami grawitacyjnymi, które zaobserwowaliśmy, są doskonale wyjaśnione przez fuzje czarnych dziur. Jednak badania te dostarczają nam ciekawych pomysłów. Nowa lekka cząstka bozonu może pomóc nam w wyjaśnieniu ciemnej materii, a te cząstki ciemnej materii mogą formować się w gwiazdy bozonowe. Jest to dziwaczny pomysł, ale nie możemy go jeszcze wykluczyć.
Źródło: universetoday.com
