Российские физики предложили способ отличать компактные звезды от чёрных дыр

Эмиль Ахмедов, Фёдор Попов и Даниил Калинов из МФТИ, ИТЭФ и НИУ ВШЭ придумали способ, как отличить чёрные дыры от компактных массивных объектов, внешне очень схожих с ними. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review D.
Чёрные дыры за последние десятилетия превратились из умозрительного объекта, открытого астрофизиками-теоретиками «на кончике пера», в предмет массовых исследований. Сегодня мы даже способны обнаружить их слияние по гравитационным волнам. Однако если очень крупные чёрные дыры, вроде той, что расположена в центре нашей Галактики, учёные уверенно могли обнаружить и ранее, то с небольшими дырами всё обстояло куда сложнее.
Дело в том, что сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) «весят» миллионы, а то и миллиарды масс Солнца. Звезды или иные объекты такой массы не могут существовать – они тут же схопнутся в черную дыру. Поэтому путать СМЧД просто не с чем. В то же время небольшие чёрные дыры по массе довольно близки к ряду объектов иной природы. Поскольку дыры практически не излучают, их масса (вычисленная по влиянию на рядом расположенные звёзды) часто является единственной доступной нам информацией о таких объектах. В результате сложилась парадоксальная ситуация – астрономам известны миллионы чёрных дыр в центрах иных галактик, и чрезвычайно мало (хотя кандидатов достаточно) чёрных дыр в Млечном Пути.
Чтобы найти способ отличить чёрные дыры от тел иной природы, российские учёные обратились к поведению скалярных частиц, пролетающих рядом с чёрной дырой. Так называют частицы, спин (упрощенно – момент вращения частицы) которых равен нулю. Их можно представить, как такие частицы, которые «выглядят» со всех сторон одинаково, «как их ни крути». Например, именно таким является бозон Хиггса. Исследователи задались вопросом – как влияют на них чёрные дыры и сверхкомпактные массивные объекты, и не могут ли астрономы по этому влиянию отделить следы первых от вторых?
Как оказалось, у поверхности сверхкомпактной звезды есть стабильная «потенциальная яма» — такая область пространства, где частицы попадают в гравитационную «ловушку». Она не выпускает частицы строго определенных энергий, и поэтому спектры энергий видимых земному наблюдателю частиц, вырывающихся из такой ямы, становятся прерывистыми (дискретными).
Совсем другая ситуация скалывается близ черной дыры. У её гравитационной «границы» вообще не возникают стационарные потенциальные ямы – ведь там идет постоянный процесс коллапса, «схлопывания» пространства. Граница такой «ямы» у чёрной дыры получается динамической, всё время «убегает» от частицы, которая прошла рядом с дырой, но не «упала» в неё. Поэтому энергетические спектры тех частиц, что прошли от окрестностей чёрных дыр до земного наблюдателя оказываются сплошными и непрерывными. Это резко отличает их от дискретных, прерывистых спектров частиц у сверхкомпактных звёзд.
 
 
"Мы берём, рассеиваем пучок частиц на этом объекте, и смотрим на спектр. И видим, что если в этом спектре нет дискретных уровней, то это чёрная 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"
 
Физики отмечают, что пока это лишь теоретическая работа: технических средств наблюдать спектры частиц в окрестностях небольших чёрных дыр пока не разработано. Однако шаг к этому сделан. В наблюдениях, связанных с чёрными дырами, часто, чтобы создать инструменты, позволяющие что-то зафиксировать, сперва нужно глубоко теоретически разобраться в том, что именно ожидаешь увидеть. Так, чтобы открыть давно предсказанные слияния чёрных дыр, учёные много десятилетий уточняли силу и масштабы образующихся при этом гравитационных волн. Только по ним и можно обнаружить такие события. Если бы сами гравиволны не были бы предсказаны еще в прошлом столетии, найти их случайно, без глубокой теоретической проработки этого вопроса не удалось бы.