Пролетающие мимо частицы помогут отличать сверхкомпактные звезды от черных дыр

Ученые из МФТИ, ИТЭФ и НИУ ВШЭ придумали способ отличить черные дыры от компактных массивных объектов, которые внешне от них неотличимы. Для этого нужно изучить энергетический спектр частиц, которые пролетают по соседству, в одном случае он будет непрерывным, а в другом — дискретным. Об этой работе сообщается в пресс-релизе МФТИ.

Черные дыры возникают в результате гравитационного коллапса, когда сила тяготения у них становится столь велика, что ничто, включая свет, не может ее преодолеть и вернуться во внешний мир. Размер, при котором объект достигает гравитационного коллапса, называется радиусом Шварцшильда. Зависит он от массы, например, чтобы Солнце стало черной дырой его надо сжать до радиуса 2,95 километра, а для Земли этот параметр составляет 0,884 сантиметра.

Некоторые астрофизики считают, что могут существовать компактные массивные объекты, которые чуть-чуть не дотягивают до статуса черной дыры, их радиус лишь немного превышает радиус Шварцшильда. Не исключено, что некоторые из потенциальных черных дыр на самом деле как раз такие объекты. Но внешне их нельзя отличить от настоящих черных дыр.

Эмиль Ахмедов, Федор Попов и Даниил Калинов придумали способ увидеть разницу между ними, точнее между компактными массивными объектами и коллапсирующими объектами. Они рассмотрели поведение скалярных частиц (спин таких частиц равен нулю, примером такой частицы может быть, например, бозон Хиггса) в окрестностях черных дыр и массивных компактных объектов. Ученые получили аналитические выражения для энергетического спектра частиц. Оказалось, что вблизи поверхности сверхкомпактной звезды, радиус которой чуть больше радиуса Шварцшильда, есть «потенциальная яма» - область пространства, где частицы попадают в гравитационную «ловушку». Задача в этом случае становится аналогичной простой задаче по квантовой механике, где нужно найти спектр частиц в потенциальной яме. Этот спектр оказывается дискретным, то есть в нем есть значения энергий, где частиц нет. Проще говоря, потенциальная яма не выпускает частицы определенных энергий, и в спектре возникает «пустое место».

В случае черной дыры вблизи сферы Шварцшильда не возникает стационарных потенциальных, поскольку идет постоянный процесс коллапса, граница «ямы» убегает, и энергетический спектр оказывается сплошным. «Мы берем, рассеиваем пучок частиц на этом объекте, и смотрим на спектр. И видим, что если в этом спектре нет дискретных уровней, то это черная дыра, а если есть – то это компактный объект. Хотя мы сделали свою работу для бесспиновых частиц, можно предположить, что так же будет вести себя и спектр других типов частиц», – говорит Федор Попов. Он отмечает, что это пока лишь теоретическая работа, у нас пока нет средств наблюдать спектры частиц в окрестностях возможных черных дыр, однако шаг к этому сделан.

Метод описан в статье, опубликованной в журнале Physical Review D.