От Джона Уилера до наших дней: эволюция концепции бозонных звезд

В моих заметках неоднократно поднималась тема компактных астрофизических объектов с нетривиальными физическими характеристиками. Хрестоматийный пример — нейтронная звезда или пульсар. Желающим углубиться в генезис исследований таких объектов я советую изучить работу Д. М. Полякова «Нейтронные звёзды и пульсары», выпущенную СПбГУ в 2014 году. Любопытно, что уже в 2015-м были зафиксированы гравитационные волны, порожденные катаклизмами с участием подобных плотных тел — например, при слиянии нейтронных звёзд или чёрных дыр. Анализ амплитуды и формы гравитационного эха позволяет делать выводы о природе столкнувшихся тел, благодаря чему накапливаются косвенные улики в пользу существования ещё более диковинных, гипотетических сущностей. В их числе — так называемые бозонные звёзды, о которых на SE7ENе впервые рассказал в 2023 году уважаемый @SLY_G в публикации «Астрономы, возможно, нашли бозонную звезду». Давайте разберем под кат, что представляют собой эти объекты и есть ли у них шанс существовать в реальности.

Перед нами семейство фермионов. Все они числятся элементарными, однако абсолютной неделимостью обладают лишь лептоны, к которым относятся электроны и нейтрино. Адроны представляют собой массивные структуры, включающие помимо протонов с нейтронами и тяжелые кварки. Эта классификация лишь концептуально пересекается со Стандартной моделью физики элементарных частиц. Ниже приведена стандартная таблица без учета суперсимметричных компаньонов, с которой вы, вероятно, уже сталкивались на страницах SE7ENа.

Итак, фермионы (включая лептоны) выступают в роли строительных блоков материи, тогда как бозоны отвечают за перенос взаимодействий. Самый известный бозон — фотон, обеспечивающий электромагнитную связь. Наряду с глюоном (переносчиком сильных сил) он не имеет массы отдыха, однако прочие бозоны, особенно бозон Хиггса, обладают колоссальной тяжестью. В теории к бозонам должен относиться и гравитон — гипотетический агент гравитационного притяжения, если гравитация подчиняется квантовым законам подобно электромагнетизму. Несмотря на десятилетнюю историю детектирования гравитационных волн, сам гравитон пока не пойман (этому вопросу посвящена моя ранняя статья «Как открыть гравитон. Некоторые идеи о квантовании гравитационных волн»).

На сегодняшний день не обнаружено ни одного макроскопического тела, полностью состоящего из бозонов. По всей видимости, пионером в рассуждениях на эту тему стал выдающийся физик Джон Уилер (1911–2008). Он размышлял над концепцией звезды из чистых квантов света, однако с позиций современной науки это маловероятно: фотоны безмассовы, тогда как реальные светила удерживаются в равновесии силами взаимного притяжения нуклидов водорода и гелия (они же запускают термоядерный синтез). В 1953 году Уилер опубликовал работу о геонах. Он предполагал, что при наличии скалярных бозонных полей (к слову, поле Хиггса имеет скалярную природу) в них способны формироваться стабильные автономные волновые пакеты — солитоны, удерживаемые в связанном состоянии гравитационным потенциалом, который они сами же и формируют. Такой гравитационный солитон учёный назвал «геоном», предположив внешнее сходство этого объекта с нейтронной звездой при условии, что он образован массивными бозонами.

О разнице между фермионами и бозонами

Фундаментальное различие между бозонами и фермионами кроется в их отношении к квантовым состояниям: фермионы категорически отвергают совместное нахождение в одинаковых состояниях, в то время как бозоны охотно объединяются. По этой причине никакое сжатие не способно спрессовать фермионы в бесконечно малую точку — в экстремальных гравитационных условиях они формируют вырожденный газ. Благодаря принципу запрета Паули фермионы отталкиваются, что и позволяет существовать нейтронным звёздам размером с мегаполис. Порог плотности, за которым белый карлик превращается в нейтронную звезду, носит название «предел Чандрасекара». С некоторыми оговорками масса белого карлика не может превышать 1,38–1,4 массы Солнца, а нейтронной звезды — примерно 2–3 солнечных масс.

Бозоны ведут себя иначе: они без труда заполняют идентичные квантовые уровни, особенно в условиях экстремального охлаждения. Понижая температуру атомного ансамбля до нанокельвинов, физики заставляют вещество вести себя бозонным образом и даже создают бозонно-фермионные смеси. Именно захватом ультрахолодных атомов в оптические ловушки Эрик Корнелл и Карл Виман в 1995 году впервые получили новое агрегатное состояние — бозе-эйнштейновский конденсат. Поскольку составляющие его атомы обладают массой, теоретически скопление такого конденсата достаточного объема могло бы коллапсировать в черную дыру. Однако на практике конденсат сохраняет стабильность лишь в разреженном состоянии. При попытке собрать массу звездного масштаба внутри такого объекта неминуемо вспыхивают термоядерные реакции, превращая его в обычную звезду. Тем не менее, гипотетический объект звездной массы из массивных бозонов внешне напоминал бы нейтронную звезду, но не был бы ограничен рамками предела Чандрасекара. По ряду оценок, подобные образования, именуемые далее бозонными звёздами, могут весить от десятков до тысячи солнечных масс.

Известные нам сегодня бозоны не способны формировать такие структуры. Но в рамках теории эту нишу занимают ультралегкие бозоны с массой порядка 10^-11 эВ (подробнее см. здесь, начиная с раздела 2.1). Подобный объект визуально и гравитационно напоминал бы черную дыру, но отличался бы специфическим магнитным полем, регистрируемым с помощью эффекта гравитационного линзирования. Для наглядности на графике ниже сопоставлены массы различных экзотических звездоподобных тел.

Сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик на много порядков превосходят по массе звездные аналоги. До наступления 2020-х годов наука не знала ни одного объекта в диапазоне от 100 до 100 000 солнечных масс, что порождает две гипотезы. Во-первых, в этой «слепой зоне» могут скрываться массивные экзотические тела, не испускающие свет. Во-вторых, центры галактик могут удерживаться не черными дырами (или вовсе не классическими черными дырами), а иными объектами, не взаимодействующими с фотонами.

Но вернемся к физике бозонных звёзд.

Вероятные свойства бозонных звёзд

Как отмечалось ранее, материя такой звезды должна быть погружена в скалярное поле, где каждая точка имеет строго определенный энергетический потенциал. Подходящие по свойствам бозоны образуют в нем устойчивую конфигурацию, лишенную как четкой твердой поверхности, так и горизонта событий, поскольку барионная материя в них отсутствует. Обладая колоссальной массой, такая звезда искривляет пространство, что проявляется в сильном отклонении световых лучей, и способна отбрасывать характерную тень, несмотря на отсутствие прямого контакта со светом.

Обычные звезды функционируют за счет термоядерного синтеза, выделяющаяся энергия которого уравновешивает гравитационное сжатие. Однако в бозонной звезде главенствуют квантовые законы, несовместимые с классической гидростатикой. Проникновению фермионов внутрь препятствует фактор, который условно можно назвать «квантовым давлением», поэтому звезда остается невидимой для оптических приборов.

Квантовая частица (в нашем сценарии — гипотетический массивный бозон) в силу суперпозиции локализована одновременно во множестве точек пространства. В результате формируется стабильное квантовое облако, способное существовать миллиардолетиями.

Следовательно, зарождение бозонной звезды правильнее соотносить не с гравитационным сжатием газопылевой туманности, а с разрастанием гигантского атомного образования.

Здесь не происходят ядерные реакции, такие звезды холодны и темны. Их структурная целостность поддерживается внутренним квантовым давлением, а массивность обеспечивает мощное гравитационное влияние на окружение. Извне объект выглядит единым целым, но внутри него нет привычного вещества — лишь чистая энергия, эквивалентная массе. Внутри бозонной звезды отсутствуют локальные «плотности» или плотные ядра; разницу составляют лишь уровней энергий (по аналогии с электронными орбиталями в атомах).

Границы атома размыты из-за вероятностной природы электронных облаков. Аналогичным образом лишена резких очертаний и бозонная звезда — на своей периферии она плавно сходит на нет.

Как отличить бозонные звёзды от чёрных дыр

Учитывая сказанное, обнаружение таких тел крайне затруднительно, хотя за последнее десятилетие ситуация сдвинулась с мертвой точки. Бозонные звёзды недоступны для классических телескопов (включая рентгеновские диапазон), но они выдают себя возмущениями пространственно-временной ткани — гравитационными волнами. Кроме того, превосходя по массе нейтронные звезды и легкие черные дыры, бозонная звезда может захватить кольцо из обычной материи либо составить двойную систему с белым карликом или пульсаром. В таком дуэте бозонная звезда станет проецировать тень и искривлять лучи света от компаньона, что фиксируется методами микролинзирования.

В 2024 году исследовательская группа под началом профессора Ульриха Сперхаке из Кембриджского университета (DAMTP) смоделировала бозонную звезду вместе с окружающим ее световым ореолом. В опубликованной в 2024 году работе Сперхаке в соавторстве с Тамарой Евстафьевой, Изобель Ромеро-Шоу и Михалисом Агатосом доказали, что статистические различия существуют, хотя гравитационный сигнал от бозонных звезд крайне похож на излучение черных дыр.

В 2025 году Сперхаке и Евстафьева совместно с Гаретом Артуром Марксом из того же вуза пришли к выводу о возможной нестабильности бозонных звёзд: при избыточном притоке массы они способны обрастать горизонтом событий и трансформироваться в классические черные дыры. Тем не менее, в регионах с разреженной барионной средой такие объекты способны существовать долгое время.

Еще более экзотическую разновидность — вращающиеся бозонные звёзды — смоделировал в 2019 году интернациональный коллектив из Лиссабона, Валенсии и Авейро. Используя комплекс Einstein Toolkit, ученые показали, что приобретение спина наделяет бозонное поле векторными, а не скалярными свойствами. Подобный вращающийся объект приобретает тороидальную форму (научной иллюстрацией чего служит левая часть схемы, в то время как справа показана скалярная звезда). Обратите внимание, как энергетическая структура скалярной звезды зеркально отражает электронные оболочки атома.

Заключение

Несмотря на то, что концепция бозонных звёзд насчитывает уже более семи десятилетий, она гораздо глубже банальной математической абстракции в уравнениях Эйнштейна. В отличие от черных дыр, здесь нет сингулярности и сопутствующего ей информационного парадокса. Наличие во Вселенной массивных бозонов (включая частицу Хиггса) позволяет допустить, что ультралегкие бозоны составляют львиную долю темной материи, проявляя себя лишь через гравитационное линзирование. Не исключено также, что галактические ядра заполнены именно такими объектами, что снимает необходимость апеллировать к концепции сверхмассивных черных дыр.

Детекторы гравитационных волн наращивают массив данных о слияниях сверхплотных тел. По мере накопления статистики мы вплотную подходим к открытию двойных систем с участием пульсаров и бозонных звёзд. Но даже если подобные объекты останутся лишь плодом научной фантазии Уилера, сам путь этих поисков существенно расширяет наше понимание природы материи и энергии. В будущих заметках я планирую вернуться к другим нетривиальным идеям Джона Уилера — в частности, к его гипотезе о фундаментально информационной природе материи.

Источник