Нейтронные « злые близнецы » могут превратить звезды в черные дыры

Новое исследование предполагает, что Вселенная может быть заполнена «зеркальными» частицами — и эти частицы, которые иначе невозможно обнаружить, могут сжимать самые плотные звезды во Вселенной, превращая их в черные дыры.

Эти гипотетические злые близнецы обычных частиц испытали бы перевернутую версию законов физики, как если бы правила, управляющие известными частицами, были отражены в зеркале. Согласно новому исследованию, опубликованному в декабре 2020 года в базе данных препринтов. arXiv но еще не прошедшие экспертную оценку, если бы эти частицы существовали, они сжимали бы самые плотные звезды во Вселенной в черные дыры.

Через зеркало

Несколько фундаментальных симметрий в природе порождают законы физики. Например, возможность перемещать эксперимент или взаимодействие в пространстве с одинаковым результатом приводит к сохранению количества движения.

Но одна из этих симметрий, симметрия отражения, не всегда соблюдается. Симметрия отражения — это когда вы смотрите на зеркальное отображение физической реакции. Почти во всех случаях вы получите точно такой же результат. Например, если вы подбросите мяч в воздух и поймаете его, он будет выглядеть точно так же в зеркале — гравитация соблюдает симметрию отражения.

Но не все силы подыгрывают. Нарушение симметрии отражения (также известной как зеркальная симметрия, P-симметрия или четность) — это слабое ядерное взаимодействие. Всякий раз, когда слабое взаимодействие участвует в каком-либо взаимодействии частиц, зеркальное отображение этого взаимодействия будет выглядеть иначе. Классический эксперимент, впервые обнаруживший этот эффект, обнаружил, что когда радиоактивная версия кобальта распадается, электрон, который он излучает, предпочитает двигаться в одном направлении (в частности, против направления спина кобальта), а не в любом случайном направлении. Если слабое ядерное взаимодействие подчиняется симметрии отражения, то эти электроны не должны были «знать», какое направление в каком направлении, и выскакивать куда угодно.

Физики понятия не имеют, почему в нашей Вселенной нарушена зеркальная симметрия, поэтому некоторые предложили радикальное объяснение: возможно, она вообще не нарушена, и мы просто смотрим на Вселенную неправильно.

Вы можете спасти зеркальную симметрию, если допустите наличие дополнительных частиц. И под «некоторыми» я имею в виду «много» — зеркальную копию каждой частицы. Были бы зеркальные электроны, зеркальные нейтроны, зеркальные фотоны, зеркальные Z-бозоны. Вы называете это, у него есть зеркало. (Это отличается от антивещества, которое похоже на обычную материю, но с противоположным электрическим зарядом.)

Другие названия зеркальной материи включают «теневую материю» и «материю Алисы» (например, «Зазеркалье»). При введении зеркальной материи во Вселенной сохраняется отражение: обычная материя осуществляет левые взаимодействия, а зеркальная материя — правосторонние взаимодействия. Все синхронизируется на математическом уровне.

Сердце звезды

Но как ученые могут проверить эту радикальную идею? Поскольку единственная сила, которая нарушает зеркальную симметрию, — это слабое ядерное взаимодействие, это единственная сила, которая может обеспечить «канал» для обычной материи, чтобы общаться с ее зеркальными аналогами. А слабое взаимодействие действительно очень мало, так что даже если бы Вселенная была залита зеркальными частицами, их было бы трудно обнаружить.

Многие эксперименты были сосредоточены на нейтральных частицах, таких как нейтроны, потому что они не имеют электромагнитного взаимодействия, что упрощает эксперименты. Поиски зеркальных нейтронов пока ничего не дали, но надежда еще не потеряна. Это потому, что эти эксперименты проводились на Земле, которая не имеет сверхсильного гравитационного поля. Но физики-теоретики предсказывают, что очень сильное гравитационное поле может усилить связь между нейтронами и зеркальными нейтронами. К счастью, природа уже создала гораздо более совершенное экспериментальное устройство для поиска зеркальной материи: нейтронные звезды.

Нейтронные звезды — это остатки ядер-гигантов. Они необычайно плотны — одна чайная ложка вещества нейтронной звезды перевесит Великие пирамиды — и чрезвычайно малы. Представьте себе, что в объем не больше Манхэттена помещается материал, равный 10 солнцам.

Нейтронные звезды — это, по сути, атомные ядра размером с город, состоящие из отдельных нейтронов, собранных вместе настолько плотно, насколько это возможно.

Злые близнецы нейтронов

С таким невероятным обилием нейтронов в сочетании с экстремальным гравитационным полем (самые высокие «горы» нейтронных звезд едва ли составляют полдюйма), странные вещи неизбежно произойдут. Одна из таких вещей, как предлагает новое исследование, — нейтроны, иногда превращающиеся в своих зеркальных нейтронных аналога.

Когда нейтрон превращается в зеркальный нейтрон, происходит несколько вещей. Зеркальный нейтрон все еще висит внутри звезды; он связан гравитацией и поэтому никуда не может уйти. А зеркальный нейтрон имеет собственное (крошечное) гравитационное влияние, поэтому звезда не испаряется. Но зеркальные нейтроны не участвуют во взаимодействиях, которые ученые обнаруживают в нейтронных звездах, так что это меняет внутреннюю химию. Они действительно участвуют в жизни «зеркальной нейтронной звезды» с ее собственным набором интересных атомных взаимодействий, но эта жизнь скрыта от нас, как призрак, населяющий тело обычной нейтронной звезды.

Это как пойти на многолюдный футбольный матч и медленно заменить болельщиков картонными вырезами: стадион все еще заполнен, но энергии нет.

Поскольку нейтроны медленно превращаются в зеркальные нейтроны, звезда сжимается. При соотношении обычных нейтронов и зеркальных нейтронов 1: 1 нейтронная звезда оказывается примерно на 30% меньше.

Нейтронные звезды могут выдерживать сокрушительный вес собственной гравитации с помощью квантовомеханического процесса, называемого давлением вырождения. Но у этого давления есть предел, и с меньшим количеством обычных нейтронов этот предел уменьшается. Если бы у звезды было соотношение обычных нейтронов к зеркальным нейтронам 1: 1, максимальная масса нейтронных звезд во Вселенной была бы примерно на 30% меньше, чем мы обычно ожидали бы. Более массивные, чем это, и нейтронные звезды схлопываются в черные дыры.

Ученые наблюдали нейтронные звезды большего размера, что на первый взгляд может означать, что зеркальная материя — это тупиковая идея (и мы должны найти какое-то другое объяснение нарушения зеркальной симметрии). Но дело не закрыто: Вселенная очень стара (13,8 миллиарда лет), и мы понятия не имеем, сколько времени может занять этот процесс перехода. Возможно, нейтронным звездам просто не хватило времени, чтобы переключиться.

Самое классное в нейтронных звездах — это то, что ученые постоянно на них смотрят. Обнаружив и наблюдая больше нейтронных звезд, они могли бы просто найти в любом из этих сигналов знак того, что есть скрытое зеркало — и смею ли я сказать «зло»? — сектор вселенной.

В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.

⏬

Поделитесь в вашей соцсети👇