Черная дыра массой всего 40 тонн внутри звезды: как темная материя может спасти ее от испарения

«Черная дыра массой 40 тонн» звучит почти как противоречие. В популярном представлении черные дыры — это звездные остатки с массой в несколько Солнц или сверхмассивные объекты в центрах галактик. Но общая теория относительности не задает минимальную массу черной дыры как таковой. Проблема у очень малых черных дыр другая: из-за излучения Хокинга они должны терять энергию тем быстрее, чем меньше их масса. Поэтому новая работа в Physical Review D интересна не «открытием крошечной черной дыры» — никто ее не наблюдал, — а сценарием, в котором такая дыра может возникнуть внутри компактной звезды и не испариться сразу.

H.A. Adarsha, Chandrachur Chakraborty и Sudip Bhattacharyya рассмотрели гипотетические очень тяжелые частицы асимметричной темной материи. Если они взаимодействуют с обычным веществом достаточно, чтобы терять энергию, белый карлик или нейтронная звезда могут постепенно захватывать их. Частицы оседают ближе к центру, накапливаются, становятся самогравитирующими и при определенных параметрах коллапсируют в крошечную endoparasitic black hole — черную дыру, которая буквально рождается внутри звезды-хозяина.

Дальше начинается соревнование трех процессов. Черная дыра поглощает обычное звездное вещество. Темная материя, которую звезда продолжает захватывать, тоже может подпитывать центральный объект. Одновременно излучение Хокинга отнимает массу. Если потери сильнее — дыра испаряется; если поступление вещества преобладает — растет. Наиболее интересный режим находится у границы между этими сценариями, потому что постоянная подпитка темной материей может позволить существовать гораздо меньшей черной дыре, чем в случае, где она полагается только на аккрецию обычного вещества.

Как черная дыра массой с грузовик может не испариться

Для изолированной малой черной дыры ключевая шкала жесткая: чем меньше масса, тем выше температура Хокинга и быстрее испарение. В среде компактной звезды ситуация иная, потому что вокруг находится чрезвычайно плотное вещество. Авторы моделируют баланс между Hawking evaporation, барионной аккрецией и дополнительным потоком темной материи. Без длительной DM-подпитки характерная критическая масса в типичных условиях компактных звезд может оставаться порядка 10¹⁰ кг — десятков миллионов тонн.

Когда же в расчет входит непрерывное поступление темной материи, граница может резко снизиться. Для белого карлика в условиях, типичных для галактического диска, в работе возникает масштаб около 10 000 метрических тонн. Для белого карлика в значительно более насыщенной темной материей среде галактического балджа — примерно 40 тонн. Для нейтронной звезды в похожей DM-rich среде приведен характерный масштаб около 600 тонн. Эти числа не являются универсальной «минимальной массой черной дыры»: они зависят от принятой плотности темной материи, параметров ее частиц, типа звезды и режима аккреции.

Есть еще одна тонкость. Для совсем маленькой черной дыры не всегда корректно сразу применять классическую картину плавного потока вещества, будто газ стекает в крупный астрофизический объект. Когда характерный размер дыры становится сопоставим с квантовыми масштабами частиц среды, поглощение нужно описывать осторожнее. По мере роста объекта система переходит к режиму, где более стандартные fluid/Bondi-подобные приближения становятся лучше. Авторы учитывают этот переход, потому что именно в области малой массы решается, выживет ли зародыш.

Самое интересное — старые звезды могут проверять темную материю вместо нас

Если такая внутренняя черная дыра перейдет в режим стабильного роста, финал для звезды может быть радикальным. Она будет постепенно поглощать хозяина изнутри и в конечном счете «трансмутирует» компактную звезду в черную дыру. Поэтому теорию можно перевернуть. Мы наблюдаем очень старые белые карлики и миллисекундные пульсары, прожившие миллиарды лет и явно не уничтоженные центральной черной дырой. Значит, комбинации массы темной частицы, ее сечения взаимодействия с обычным веществом и локальной плотности, которые должны были бы гарантированно уничтожить такие старые звезды за более короткое время, можно исключать или ограничивать.

Это делает компактные звезды своеобразными природными детекторами с экспозицией, недостижимой в лаборатории. Земной эксперимент работает годы и обладает ограниченной массой мишени. Нейтронная звезда или белый карлик «собирает» частицы темной материи на протяжении астрономического времени, причем нейтронная звезда имеет колоссальную плотность. Если темная материя относится к классу, который эффективно захватывается такими объектами, само выживание старых звезд уже несет информацию.

При этом необходимо провести очень четкую границу между интересной теорией и наблюдением. Работа не доказывает существование ultraheavy asymmetric dark matter, не показывает найденную 40-тонную черную дыру и не утверждает, что внутри обычных белых карликов массово сидят такие объекты. Она строит физически последовательный сценарий и определяет, при каких условиях он возможен. Сила результата именно в этом: экзотическая идея превращается в набор временных масштабов и ограничений, которые можно сопоставлять с реальной популяцией старых компактных звезд.

Поэтому цифру «40 тонн» лучше читать не как сенсационный новый класс уже обнаруженных черных дыр, а как предельный пример того, насколько необычной может быть физика в центре звезды, если темная материя обладает определенными свойствами. Маленькая черная дыра здесь — не главный герой сама по себе. Она служит инструментом, связывающим гравитацию, квантовое испарение, звездную астрофизику и одну из крупнейших неизвестных современной физики — природу темной материи.

Еще одна причина, почему эту работу интересно читать даже без громких заголовков, — она дает новые ограничения на параметры dark matter со стороны самих старых компактных звезд. Авторы анализируют сценарии для millisecond pulsars и white dwarfs и смотрят, успевает ли внутренняя эндопаразитическая черная дыра “превратить” звезду менее чем за примерно миллиард лет. Если нет — значит определенные комбинации массы частицы и эффективного сечения взаимодействия остаются допустимыми. То есть это не столько статья об экзотическом объекте, сколько еще один способ косвенно давить на пространство параметров темной материи.

↗