|
Черная дыра может существовать внутри звезды
|
|
|
|
В 1974 году Стивен Хокинг сделал предсказание, которое изменило наши представления о черных дырах. Он показал, что черные дыры на самом деле не черные: они медленно теряют энергию в результате квантового процесса, известного сейчас как излучение Хокинга. Чем легче черная дыра, тем быстрее она испаряется.
|
|
|
|
Для первичных черных дыр, образовавшихся в ранней Вселенной, последствия этого драматичны. Время испарения первичной черной дыры массой около 1012 кг сопоставимо с возрастом Вселенной. Таким образом, ожидается, что значительно более легкие первичные черные дыры не доживут до сегодняшнего дня.
|
|
|
|
Однако рассматриваемые здесь крошечные черные дыры не обязательно существовали со времен ранней Вселенной. Они могут образоваться гораздо позже внутри компактных звезд. Нейтронные звезды и белые карлики могут захватывать гипотетические сверхтяжелые асимметричные частицы темной материи. Поскольку эти частицы не аннигилируют эффективно, они могут накапливаться в ядре звезды, становиться самогравитирующимися и в конечном итоге коллапсировать, образуя крошечную эндопаразитарную черную дыру.
|
|
|
|
Судьба черной дыры после ее образования определяется не только испарением по Хокингу. Окруженная плотным звездным веществом, черная дыра может набирать массу за счет аккреции обычного вещества своей родительской звезды и постоянного притока темной материи.
|
|
|
|
|
|
|
Расчеты показывают, что при благоприятных условиях черная дыра с начальной массой всего около 40 метрических тонн, что примерно равно массе груженого полуприцепа, может преодолеть эффект испарения Хокинга и продолжить расти.
|
|
|
|
Ключевую роль в этом процессе играет темная материя.
|
|
|
|
Гонка между ростом и испарением
|
|
|
|
Новообразованная эндопаразитическая черная дыра не поглощает свою родительскую звезду автоматически. Ее судьба зависит от соотношения двух факторов: аккреция звездного вещества и постоянный приток темной материи увеличивают ее массу, а излучение Хокинга уменьшает ее.
|
|
|
|
Есть и квантовые сложности. Для очень маленькой черной дыры привычное представление об аккреции вещества как о непрерывном потоке может оказаться неприменимым. Длина волны падающей частицы может стать сопоставимой с характерным размером черной дыры, что требует квантового описания поглощения частиц. По мере роста черной дыры в конечном итоге начинает преобладать привычная модель аккреции, при которой вещество ведет себя как жидкость.
|
|
|
|
В расчетах учитываются оба режима, а также аккреция звездного вещества, постоянный приток темной материи и излучение Хокинга.
|
|
|
|
Насколько маленькой может быть растущая черная дыра?
|
|
|
|
Конкуренция определяет критическую массу черной дыры. Ниже этой массы испарение Хокинга побеждает, и устойчивый рост невозможен.
|
|
|
|
При превышении этой массы поступающий поток вещества может преодолеть испарение, и черная дыра может продолжать расти.
|
|
|
|
Продолжающееся поступление темной материи может значительно снизить эту критическую массу.
|
|
|
|
Если пренебречь подпиткой темной материей и учитывать только аккрецию звездного вещества и испарение Хокинга, то характерная критическая масса может составлять около 1010 кг в типичных случаях компактных звезд.
|
|
|
|
Это значение не следует путать со шкалой в 1012 кг для первичных черных дыр. Последнее касается выживания в течение космического периода времени в изоляции. Критическая масса внутри звезды, напротив, задает вопрос о том, может ли вновь образовавшаяся черная дыра расти, а не испаряться.
|
|
|
|
Если учесть продолжающееся поступление темной материи, критическая масса может упасть еще больше.
|
|
|
|
Для белого карлика в галактическом диске, где расположена Солнечная система, критическая начальная масса составляет около 10 000 метрических тонн. Однако в гораздо более богатой темной материей среде галактического балджа она может упасть всего до 40 метрических тонн. Для нейтронной звезды в Галактическом балдже соответствующая критическая масса составляет около 600 метрических тонн.
|
|
|
|
Это не означает, что была обнаружена 40-тонная черная дыра. Скорее, при рассмотренных условиях черная дыра с такой малой начальной массой может расти, а не испаряться из-за излучения Хокинга. Со временем она может продолжить расти и в конечном итоге поглотит звезду, в которой образовалась, превратив ее в черную дыру.
|
|
|
|
Излучение Хокинга по-прежнему играет важную роль в расчетах, но окружающая среда может существенно повлиять на судьбу крошечной черной дыры.
|
|
|
|
Черные дыры, о которых идет речь в этой статье, образуются внутри компактных звезд в результате накопления темной материи. После образования они могут получать новую массу из окружающей среды. Если приток массы превышает ее потерю из-за излучения Хокинга, то даже чрезвычайно маленькая черная дыра может продолжать расти.
|
|
|
|
Точная критическая масса зависит от свойств звезды и окружающей ее среды. Дополнительные факторы, такие как вращение и магнитные поля, также могут повлиять на результат.
|
|
|
|
Тем не менее главный вывод поразителен: при определенных условиях черная дыра массой всего около 40 метрических тонн может расти внутри компактной звезды, а не испаряться, и постоянный приток темной материи будет способствовать ее росту.
|
|
|
|
Этот аргумент можно использовать и в обратном направлении. Если бы темная материя с определенными свойствами могла быстро образовывать растущую черную дыру и разрушать породившую ее звезду, то очень старых компактных звезд больше не существовало бы. Таким образом, тот факт, что миллисекундные пульсары и белые карлики существуют миллиарды лет, накладывает ограничения на массу сверхтяжелых частиц темной материи и силу их взаимодействия с обычной материей.
|
|
|
|
В этом смысле звезды провели для нас эксперимент, став естественными детекторами темной материи в астрономических масштабах времени.
|
|
|
|
Источник
|
