Чёрные дыры обычно ассоциируются с объектами, масса которых сравнима с массой звёзд или даже миллионов и миллиардов Солнц. Однако теоретические расчёты показывают, что при определённых условиях внутри компактной звезды может возникнуть и начать расти чёрная дыра с первоначальной массой всего около 40 тонн.
По космическим меркам такая масса выглядит почти ничтожной. Для сравнения, это сопоставимо с массой тяжёлого грузовика. Но размер и масса чёрной дыры не являются единственными факторами, определяющими её дальнейшую судьбу. Если такой объект находится в чрезвычайно плотной среде и продолжает получать вещество, процесс роста может оказаться сильнее потери энергии из-за излучения Хокинга.
Ключевую роль в этой модели играет гипотетическая тёмная материя. Согласно расчётам, определённые частицы тёмной материи могут накапливаться внутри белых карликов и нейтронных звёзд, а затем при подходящих условиях коллапсировать в крошечную чёрную дыру. После этого начинается своеобразная борьба между тремя процессами: поглощением обычного вещества звезды, поступлением новой тёмной материи и квантовым испарением самой чёрной дыры.
Именно от соотношения этих процессов зависит, исчезнет ли миниатюрная чёрная дыра или, наоборот, начнёт увеличиваться.
Почему маленькие чёрные дыры должны быстро исчезать
Одним из важнейших свойств очень маленьких чёрных дыр считается излучение Хокинга. Согласно теоретическому предсказанию Стивена Хокинга, чёрные дыры не являются абсолютно вечными объектами. Квантовые процессы должны приводить к постепенной потере ими энергии и массы.
Этот эффект особенно важен для небольших чёрных дыр.
Чем меньше масса чёрной дыры, тем быстрее, согласно теории, идёт её испарение. Поэтому чрезвычайно лёгкая чёрная дыра, находящаяся в пустом пространстве и не получающая новое вещество, должна постепенно уменьшаться и в конечном итоге исчезнуть.
Почему масса имеет решающее значение
Для гипотетических первичных чёрных дыр, которые могли сформироваться в ранней Вселенной, существует важная граница. Объект с массой порядка триллиона килограммов имеет характерное время испарения, сопоставимое с возрастом Вселенной. Значительно более лёгкие первичные чёрные дыры, если бы они образовались в ранней Вселенной, должны были испариться намного раньше современной эпохи.
Однако этот вывод нельзя автоматически переносить на все маленькие чёрные дыры.
Первичная чёрная дыра, существующая в космическом пространстве, и чёрная дыра, возникшая внутри чрезвычайно плотной звезды, находятся в совершенно разных условиях. Внутри компактного объекта крошечная чёрная дыра окружена огромным количеством вещества и может постоянно получать новую массу.
Именно поэтому вопрос о её выживании зависит не только от излучения Хокинга.
Испарение и поглощение вещества
После образования маленькой чёрной дыры одновременно начинают действовать противоположные процессы. Излучение Хокинга уменьшает её массу, а поглощение окружающего вещества увеличивает её.
Если потери оказываются больше поступления вещества, чёрная дыра продолжает уменьшаться и в итоге испаряется.
Если же приток массы превышает потери, ситуация меняется. Чёрная дыра начинает расти, а увеличение массы, в свою очередь, делает её испарение менее интенсивным.
Между этими двумя режимами существует критическая область, в которой процессы роста и потери массы могут оказаться примерно уравновешенными.
Как внутри звезды может появиться маленькая чёрная дыра
Рассматриваемая модель относится не к обычным звёздам вроде Солнца, а к компактным объектам — прежде всего белым карликам и нейтронным звёздам.
Эти объекты обладают чрезвычайно высокой плотностью и сильной гравитацией. Именно такие условия делают возможным захват и накопление некоторых гипотетических частиц тёмной материи.
Тёмная материя как источник будущей чёрной дыры
Тёмная материя пока не была непосредственно обнаружена. О её существовании судят по гравитационному воздействию на обычное вещество, звёзды и галактики. При этом природа частиц, из которых она состоит, остаётся неизвестной.
В рассматриваемом исследовании изучается один из возможных вариантов — сверхтяжёлая асимметричная тёмная материя.
Предполагается, что такие частицы могут захватываться компактными звёздами. После захвата они постепенно теряют энергию и концентрируются в центральной области объекта.
Особенность асимметричной тёмной материи в данной модели заключается в том, что её частицы не уничтожают друг друга эффективно при столкновениях. Поэтому захваченное вещество может продолжать накапливаться внутри звезды.
От скопления частиц к гравитационному коллапсу
Если количество накопившихся частиц становится достаточно большим, их собственная гравитация начинает играть всё более важную роль.
В определённый момент скопление тёмной материи может стать самогравитирующимся. При дальнейших условиях оно способно испытать гравитационный коллапс и образовать крошечную чёрную дыру внутри компактной звезды.
Такой объект в исследовании рассматривается как своеобразная «внутренняя паразитическая» чёрная дыра. Она существует внутри звезды и получает вещество непосредственно из окружающей её сверхплотной среды.
Важно, что речь идёт о теоретической модели. Чёрные дыры массой 40 тонн внутри звёзд пока не обнаружены.
Что происходит после рождения чёрной дыры
Появление чёрной дыры ещё не означает автоматического уничтожения звезды.
Её дальнейшая судьба определяется балансом между ростом и испарением. Исследователи учитывали сразу несколько процессов, которые могут одновременно изменять массу такого объекта.
Поглощение вещества звезды
В центре белого карлика или нейтронной звезды плотность вещества чрезвычайно велика. Крошечная чёрная дыра находится не в почти пустом космическом пространстве, а внутри среды, содержащей огромное количество частиц.
Она может захватывать и поглощать обычное вещество своей звезды.
Однако для чрезвычайно маленькой чёрной дыры этот процесс нельзя всегда описывать теми же методами, которые используются для больших астрофизических объектов.
Размер чёрной дыры становится настолько малым, что квантовые свойства падающих частиц начинают существенно влиять на процесс поглощения.
Почему для маленькой чёрной дыры нужна квантовая физика
При описании поглощения вещества крупной чёрной дырой газ часто можно рассматривать как непрерывную среду. Но этот подход перестаёт быть достаточным, когда размеры объекта становятся чрезвычайно малыми.
Длина волны падающей частицы может стать сопоставимой с характерным масштабом чёрной дыры. В такой ситуации необходимо учитывать квантовый характер взаимодействия и рассчитывать вероятность поглощения отдельных частиц.
По мере увеличения чёрной дыры ситуация постепенно меняется. Когда её размеры становятся достаточно большими, описание аккреции как процесса поглощения вещества из непрерывной среды снова становится применимым.
Поэтому исследование учитывает переход между квантовым режимом поглощения и более привычным режимом аккреции.
Продолжающееся поступление тёмной материи
Обычное вещество звезды — не единственный возможный источник роста.
Если компактная звезда продолжает захватывать частицы тёмной материи, часть этого вещества может в дальнейшем поступать к уже образовавшейся чёрной дыре.
Именно этот дополнительный источник массы оказался особенно важным в расчётах.
Без постоянного притока тёмной материи маленькой чёрной дыре значительно сложнее преодолеть потери, связанные с излучением Хокинга. Дополнительное поступление тёмной материи способно существенно уменьшить минимальную массу, необходимую для дальнейшего роста.
Почему важна критическая масса
Для каждого набора условий существует определённая критическая масса.
Если первоначальная масса чёрной дыры оказывается ниже этого значения, испарение Хокинга преобладает над поступлением вещества. Чёрная дыра теряет массу быстрее, чем получает новую, и устойчивый рост становится невозможным.
Если же её масса превышает критический порог, ситуация меняется. Приток вещества способен компенсировать потери, после чего чёрная дыра получает возможность продолжать увеличиваться.
Что происходит без дополнительного питания тёмной материей
В расчётах для характерных условий внутри компактных звёзд критическая масса при учёте только поглощения обычного вещества и испарения Хокинга может составлять около 10 миллиардов килограммов.
Это огромная величина по человеческим меркам, хотя для чёрной дыры она остаётся чрезвычайно маленькой.
Здесь важно не путать эту величину с массой порядка триллиона килограммов, связанной со временем испарения изолированной первичной чёрной дыры.
Это разные вопросы.
В одном случае оценивается, сколько времени изолированный объект способен существовать в космосе. В другом — определяется, может ли чёрная дыра, находящаяся внутри звезды, начать устойчиво расти, несмотря на испарение.
Как тёмная материя меняет расчёт
Постоянное поступление тёмной материи способно резко снизить критическую массу.
Согласно проведённым расчётам, для белого карлика в области галактического диска критическая первоначальная масса может составлять примерно 10 тысяч тонн.
Однако в условиях, где предполагается значительно более высокая плотность тёмной материи, порог становится ещё ниже.
В области галактического балджа для белого карлика расчёты допускают критическую массу около 40 тонн. Для нейтронной звезды в той же области соответствующее значение составляет около 600 тонн.
Это и является наиболее необычным результатом исследования: при определённых условиях чёрная дыра массой, сопоставимой с массой тяжёлого грузовика, теоретически может не испариться, а начать расти.
Почему именно центр Галактики имеет особое значение
Распределение тёмной материи во Вселенной изучено далеко не полностью. Однако многие модели предполагают, что её плотность в разных областях галактик неодинакова.
В центральных областях Млечного Пути условия могут существенно отличаться от условий в районе галактического диска, где расположена Солнечная система.
Для рассматриваемого механизма это имеет принципиальное значение.
Чем больше доступной тёмной материи, тем легче начать рост
Если компактная звезда находится в среде с более высокой плотностью тёмной материи, она потенциально может захватывать больше таких частиц.
Это увеличивает возможный приток вещества к сформировавшейся внутри звезды чёрной дыре.
В результате минимальная масса, необходимая для преодоления испарения Хокинга, уменьшается.
Именно поэтому в расчётах для белого карлика в богатой тёмной материей среде галактического балджа критический порог оказался значительно ниже, чем для аналогичного объекта в галактическом диске.
Может ли такая чёрная дыра уничтожить звезду
Если чёрная дыра успешно преодолевает начальный этап и продолжает получать массу, её дальнейший рост может изменить судьбу всей звезды.
По мере увеличения массы условия для дальнейшего испарения становятся менее благоприятными, поскольку большие чёрные дыры теряют массу через излучение Хокинга медленнее.
При достаточном времени растущий объект может поглощать всё больше окружающего вещества.
Согласно рассматриваемой модели, в конечном итоге такая чёрная дыра способна поглотить свою звезду и превратить компактный объект в чёрную дыру.
Однако это не означает, что внутри известных белых карликов и нейтронных звёзд действительно находятся подобные объекты.
Почему обычные звёзды не начинают массово исчезать
Описанный механизм требует выполнения конкретного набора условий.
Необходимо существование определённого типа сверхтяжёлой тёмной материи. Эти частицы должны взаимодействовать с обычным веществом таким образом, чтобы компактная звезда могла их захватывать. Они должны эффективно накапливаться, а затем образовать достаточно плотное самогравитирующееся скопление.
После этого возникшая чёрная дыра должна получить достаточно вещества, чтобы преодолеть испарение.
Каждый из этих этапов зависит от свойств частиц тёмной материи, которые пока остаются неизвестными.
Поэтому работа не утверждает, что белые карлики или нейтронные звёзды действительно регулярно превращаются в чёрные дыры таким способом. Она показывает, какие последствия могли бы возникнуть, если тёмная материя обладает определёнными характеристиками.
Старые звёзды становятся естественными детекторами тёмной материи
Наиболее интересное следствие исследования связано не только с возможностью существования чрезвычайно маленьких чёрных дыр.
Теоретическую логику можно обратить.
Если определённый тип тёмной материи должен эффективно накапливаться внутри компактных звёзд, создавать растущие чёрные дыры и быстро уничтожать свои звёзды-хозяева, тогда существование очень старых компактных объектов становится важным ограничением для такой модели.
Миллисекундные пульсары как свидетельства долгой жизни
Миллисекундные пульсары относятся к нейтронным звёздам, которые вращаются с чрезвычайно высокой скоростью.
Некоторые из них существуют миллиарды лет. Сам факт существования старых компактных объектов показывает, что они не были уничтожены растущими внутренними чёрными дырами за время своей эволюции.
Если бы определённые частицы тёмной материи неизбежно приводили к быстрому формированию таких объектов, большое количество древних компактных звёзд могло бы не сохраниться до настоящего времени.
Следовательно, наблюдение старых пульсаров помогает ограничивать возможные свойства гипотетической тёмной материи.
Белые карлики тоже сохраняют информацию
Белые карлики могут существовать чрезвычайно долго. Это остатки звёзд, подобных Солнцу, которые завершили активную стадию своей эволюции и сбросили внешние оболочки.
Их длительное существование также может использоваться для проверки моделей тёмной материи.
Если расчёт предсказывает, что частицы с определёнными характеристиками должны за сравнительно короткое время привести к образованию растущей чёрной дыры внутри белого карлика, но астрономы наблюдают древние белые карлики, модель получает серьёзное ограничение.
Таким образом, сами звёзды становятся своеобразными естественными экспериментами, продолжающимися миллиарды лет.
Почему этот метод важен для поисков тёмной материи
Большинство прямых экспериментов по поиску тёмной материи проводятся на Земле. Учёные строят чрезвычайно чувствительные установки и пытаются зарегистрировать редкие взаимодействия гипотетических частиц с обычным веществом.
Однако компактные звёзды предоставляют совершенно другой масштаб для подобных исследований.
Нейтронная звезда или белый карлик обладает огромной массой, сильной гравитацией и может существовать миллиарды лет. За это время такой объект способен накопить последствия даже чрезвычайно редких процессов.
Космический эксперимент продолжительностью миллиарды лет
Лабораторный эксперимент ограничен размерами установки и временем работы оборудования.
Компактная звезда представляет собой естественную систему совершенно другого масштаба. Её гравитация непрерывно действует на окружающее пространство, а сама звезда сохраняется на протяжении огромных промежутков времени.
Если тёмная материя действительно взаимодействует с обычным веществом определённым образом, последствия этих взаимодействий могут постепенно накапливаться.
Поэтому отсутствие ожидаемого эффекта тоже становится научной информацией.
Существование старых компактных звёзд позволяет исключать или ограничивать те варианты свойств тёмной материи, которые должны были бы привести к их разрушению.
От чего ещё зависит судьба внутренней чёрной дыры
Полученные значения критической массы не являются универсальными для всех звёзд.
Они зависят от характеристик самого компактного объекта и условий окружающей среды.
Имеют значение плотность вещества, параметры предполагаемой тёмной материи и количество частиц, доступных для захвата.
Дополнительное влияние могут оказывать и другие физические факторы.
Вращение и магнитные поля
Белые карлики и особенно нейтронные звёзды могут быстро вращаться и обладать чрезвычайно сильными магнитными полями.
Эти особенности способны изменять внутренние условия и процессы, связанные с накоплением и движением вещества.
В рассматриваемых расчётах отмечается, что подобные дополнительные факторы могут изменить конкретные результаты и величину критической массы.
Поэтому число в 40 тонн нельзя рассматривать как универсальную минимальную массу чёрной дыры, способной расти внутри любой звезды.
Это результат для определённого набора теоретических условий.
Почему число 40 тонн не означает открытие реального объекта
Самый эффектный результат исследования легко понять неправильно.
Учёные не обнаружили чёрную дыру массой 40 тонн. Современные наблюдения не подтверждают существование такого конкретного объекта внутри известной звезды.
Речь идёт о расчёте, показывающем, что при определённых свойствах тёмной материи и определённых условиях среды чёрная дыра с такой первоначальной массой может иметь положительную скорость роста.
Иными словами, она способна получать массу быстрее, чем теряет её из-за излучения Хокинга.
Это важное различие между теоретической возможностью и астрономическим обнаружением.
Необычная связь между самыми маленькими чёрными дырами и самыми плотными звёздами
Исследование объединяет несколько областей современной физики, которые обычно рассматриваются отдельно.
С одной стороны, это квантовая теория и излучение Хокинга, определяющее судьбу чрезвычайно маленьких чёрных дыр.
С другой — физика белых карликов и нейтронных звёзд, где вещество находится в экстремально плотном состоянии.
Третьим элементом становится тёмная материя, природа которой остаётся одной из крупнейших нерешённых проблем современной науки.
Именно взаимодействие этих процессов приводит к необычному результату: объект, который в пустом пространстве должен был бы быстро испариться, внутри плотной звезды при постоянном поступлении вещества может получить возможность выжить и начать расти.
Что показывает новое исследование
Главный вывод работы заключается в том, что судьбу маленькой чёрной дыры определяет не только её первоначальная масса.
Окружающая среда может радикально изменить баланс между испарением и ростом. Внутри компактной звезды объект получает доступ к плотному обычному веществу, а при определённых свойствах тёмной материи — ещё и к дополнительному источнику массы.
Расчёты показывают, что постоянное поступление тёмной материи способно значительно снизить критическую массу, необходимую для начала устойчивого роста. В наиболее благоприятных рассмотренных условиях для белого карлика в богатой тёмной материей области галактического балджа эта величина может достигать примерно 40 тонн.
Это не означает, что подобные чёрные дыры уже обнаружены или что звёзды массово разрушаются изнутри. Но сама возможность такого процесса важна для проверки гипотез о природе тёмной материи.
Особую ценность имеют старые нейтронные звёзды и белые карлики. Их существование на протяжении миллиардов лет позволяет использовать космос как естественную лабораторию. Если некоторые модели тёмной материи предсказывают неизбежное разрушение таких объектов внутренними чёрными дырами, а сами древние звёзды продолжают существовать, свойства предполагаемых частиц получают новые ограничения.
Таким образом, теоретическая возможность появления внутри компактной звезды чёрной дыры массой всего несколько десятков тонн оказывается связана с гораздо более фундаментальным вопросом: из чего состоит большая часть невидимой материи Вселенной и как её частицы взаимодействуют с обычным веществом.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
