Черная дыра небольшой массы может не испариться, а вырасти, если рядом есть темная материя

В 1974 году Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры могут испаряться за счет квантового излучения. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, показывает, что в определенных условиях даже маленькая черная дыра небольшой массы способна не исчезнуть, а расти, поглощая вещество звезды и темную материю. Ученые выяснили, что такие объекты могут возникать внутри нейтронных звезд и белых карликов, и их судьба зависит от плотности темной материи вокруг.

Вообразите черную дыру, по массе равную тяжелому грузовику, – всего 40 тонн. Согласно классическим представлениям, такой малыш обязан испариться практически мгновенно под действием излучения Хокинга. Однако расчеты показывают, что все меняется, если эта микроскопическая дыра появляется не в пустом космическом пространстве, а в самом сердце плотной нейтронной звезды. В таком окружении вокруг нее постоянно находится огромное количество обычного вещества, а если вдобавок звезда пронизывается потоками темной материи, то добавленная масса способна с лихвой компенсировать потери. В итоге дыра обретает способность не уменьшаться, а неуклонно набирать вес.

Откуда же берутся такие малышки? Они могут образоваться не в ранней Вселенной, а гораздо позже, внутри компактных звезд, таких как нейтронные звезды или белые карлики. Туда постепенно накапливаются гипотетические тяжелые частицы темной материи. Они плохо сталкиваются друг с другом, поэтому не аннигилируют, а концентрируются в центре звезды. Когда их становится слишком много, они сжимаются под собственной гравитацией и дают начало крошечной «эндопаразитической» черной дыре.

Дальше происходит вот что. С одной стороны, излучение Хокинга уносит массу. С другой, черная дыра поглощает звездное вещество и новые порции темной материи. Если приток больше потерь, черная дыра остается жизнеспособной и постепенно увеличивается. Если меньше, она исчезает почти мгновенно. Интересно, что для очень маленьких дыр обычная картина аккреции, похожая на втекание жидкости, работает плохо: здесь важны квантовые эффекты, ведь длина волны падающих частиц может быть сравнима с размером самой дыры. Но как только дыра подрастает, физика становится более классической.

Ключевой вопрос – какова минимальная стартовая масса, при которой рост побеждает испарение. Если не учитывать темную материю, то для звезд вроде белых карликов этот порог составляет около 10 миллионов тонн. Но если звезда находится в области с высокой плотностью темной материи, например в галактическом балдже, порог падает до 40 тонн. Для нейтронных звезд в таких же условиях критическая масса составляет примерно 600 тонн.

Эти цифры конечно не означают, что астрономы нашли черную дыру массой 40 тонн. Речь о том, что при благоприятных условиях такая дыра сможет не испаряться, а устойчиво расти. За миллионы или миллиарды лет она может поглотить свою звезду-хозяйку и превратить ее в полноценную черную дыру.

Но есть и обратная сторона. Если бы такие процессы были слишком эффективными, то старые пульсары и белые карлики просто не дожили бы до наших дней. Однако мы наблюдаем миллисекундные пульсары, которым больше миллиарда лет, и белые карлики возрастом около 10 миллиардов лет. Их существование накладывает жесткие ограничения на свойства частиц темной материи, их массу и силу взаимодействия с обычным веществом. Фактически, звезды работают как гигантские детекторы темной материи, которые ведут наблюдения на протяжении долгих времен.

В итоге исследование показало, что при достаточном потоке темной материи черная дыра начальной массой всего около 40 тонн может не испариться, а неограниченно расти внутри компактной звезды. Это меняет наши представления о том, насколько маленькими могут быть растущие черные дыры. При этом долгоживущие старые звезды служат естественными ограничителями для свойств темной материи, помогая физикам сузить круг поисков ее частиц. Работа опубликована в Physical Review D.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях