Внутри Солнца может скрываться черная дыра размером с Меркурий, родившаяся во время Большого взрыва

Ученые заявили, что внутри некоторых звезд могут скрываться первичные черные дыры, причем рассчитав их избыточную массу, можно объяснить странные гравитационные эффекты в нашей Вселенной, связанные с темной материей.

Черные дыры могут скрываться внутри звезд, а их избыточная масса поможет объяснить странные гравитационные эффекты во Вселенной, приписываемые темной материи.

Внутри звезд могут скрываться крохотные черные дыры, образовавшиеся во время большого взрыва. Эта идея, впервые предложенная Стивеном Хокингом, может также объяснить происхождение темной материи, считают астрофизики.

В 1971 году Стивен Хокинг изучал проблему, связанную с очевидным недостатком высокоэнергетических частиц, исходящих от Солнца. ... Он предположил, что проблема солнечных нейтрино может быть решена, если на Солнце находится небольшая черная дыра, образовавшаяся в первые секунды существования Вселенной, так называемая первичная черная дыра. Позже другие астрономы развили эту идею, но, когда в 2001 году проблема солнечных нейтрино была успешно решена, интерес к звездам якобы скрывающих черные дыры постепенно угас.

Однако недавно Эрл Беллингер из Института астрофизики Макса Планка (Германия) и его коллеги решили вернуться к этой идее как к потенциальному объяснению темной материи и рассчитали, какое влияние первичные дыры разной массы могут оказывать на эволюцию звезды-хозяина.

В случае с нашим Солнцем Беллингер и его команда прежде всего исключили черные дыры с массой меньше “обычного” астероида, поскольку такие ЧД не смогут вырасти или оказать заметный эффект. Они также исключили черные дыры с массой больше солнечной, так как такая ЧД очень быстро поглотила бы свою звезду. В ходе дальнейших исследований остались черные дыры размером с Меркурий (диаметр 4880 км) или чуть больше, способные накапливать материю и расти - но не слишком быстро.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

Черная дыра таких размеров, высасывающая топливо изнутри Солнца, заставила бы звезду расти, излучая мощный свет, который "выталкивал" бы ее внешние слои. По словам Беллингера, за миллионы лет это привело бы к снижению температуры до уровня, необходимого для ядерного синтеза - реакции, которая поддерживает звезду в стабильном состоянии.

Эффект охлаждения вызвал бы "бурю и хаос" в недрах звезды, как в кастрюле с кипящей водой. В итоге наше Солнце превратилось бы в очень редкий тип необычно холодной звезды, называемой красным страгглером (красная отставшая звезда). Черная дыра в центре красной отставшей также заставила бы её пульсировать необычным образом. Этот признак первичной черной дыры Беллингер теперь надеется отыскать среди 500 или около того красных отставших, известных нам на данный момент.

Тот факт, что звезды, имеющие в своем центр черные дыры будут пульсировать подобным образом, означает, что наше Солнце вряд ли является кандидатом на роль красного стаглера, поскольку мы уже обнаружили бы подобные признаки... И тем не менее, такая вероятность не исключена.

Вероятно, эта черная дыра, настолько крохотная, что нам очень трудно заметить ее присутствие. Но все же она может повлиять на эволюцию Солнца, рассуждает Беллингер. Такая черная дыра могла бы существенно снизить температуру Солнца, что спасло бы Землю от поглощения нашей звездой, когда у нее закончится топливо и она превратится в обычный красный гигант. Тем не менее, она все равно раскалится настолько, что испарит земные океаны и убьет все живое на нашей планете.

Солнце и другие звезды могли бы выглядеть и вести себя совершенно иначе, если бы скрывали в своих недрах первичные черные дыры. Nikx Photograpfy / Shutter stock

Если нам удастся отыскать другие звезды, в которых скрываются первичные черные дыры, это поможет объяснить существование темной материи, которая, как считается, является причиной необъяснимых гравитационных эффектов, наблюдаемых нами во Вселенной, например, галактик, вращающихся быстрее, чем можно предположить, исходя только из взаимодействия с видимой материей. Если черные дыры скрываются внутри звезд, то их избыточная масса может в какой-то мере объяснить этот эффект, пишет Беллинджер.

Хотя звезды, в которых прячутся черные дыры, теоретически могли бы объяснить темную материю, говорит Пауло Монтеро-Камачо из Университета Цинхуа в Китае, в этой работе есть одно серьезное предположение, которое еще предстоит доказать, а именно то, что звезды вообще могут захватывать первичные черные дыры. "Звезде очень сложно поймать первичные черные дыры, потому что они очень крохотные и движутся так очень быстро", - говорит он.

Поскольку звезды, скрывающие ЧД, живут относительно долго - даже когда ЧД составляет значительную часть их массы и обеспечивает большую светимость, - это открывает ряд возможных путей для поиска таких объектов. Одним из перспективных подходов является астеросейсмология. Звезды, подобные Солнцу, являются "садами звука", испускающими акустические колебания с характерными периодами ∼5 минут. Частоты этих колебаний тесно зависят как от глобальной, так и от внутренней структуры звезды и могут быть использованы, в то числе для определения возраста звезды.

Нейтрино в сверхновых способны сломать все наши представления о современной физике

Аннотация к научной статье

Стивен Хокинг предположил, что на Солнце может скрываться первичная черная дыра (ЧД), аккреция которой обеспечивает часть солнечной светимости. Такой объект должен был сформироваться в течение первого 1 с после Большого взрыва с массой луны или астероида. Такие крохотные черные дыры являются кандидатом на решение проблемы темной материи и могут вырасти до звездной массы, если будут захвачены звездами. В данном исследовании эксперты рассчитали эволюцию звезд, в центре которых может находиться подобная ЧД. Ученые установили, что такие объекты могут быть удивительно долгоживущими, причем самые маленькие черные дыры не оказывают на эволюцию звезд практически никакого влияния, в то время как более массивные поглощают звезду с течением времени, вызывая целый ряд наблюдаемых событий.

Модели Солнца, родившегося рядом с черной дырой, масса которой с тех пор выросла примерно до 10^-6 (в минус 6 степени) масс Солнца, согласуются с современными наблюдениями. В этом случае Солнце сначала тускнеет до половины своей нынешней светимости в течение 100 миллионов лет, по мере того как за счет аккреции начинает выделяться энергия, достаточная для подавления ядерных реакций. Затем Солнце начнет расширяться, превращаясь в полностью конвективную звезду, и будет сиять потенциально несколько гигалет с богатым содержанием гелия на поверхности, сначала как звезда-субгигант, а затем как красная отставшая, прежде чем превратится в черную дыру с субсолнечной массой.

Рисунок. Аналитические аккреционные оценки времени жизни звезд (модели звезд, МЗ), рожденных в присутствии первичной черной дыры. Контуры постоянного возраста показаны черными линиями; для маломассивных ЧД время жизни звезд остается неизменным (заштриховано коричневым), но по мере приближения массы ЧД к массе звезды возраст стремится к нулю (заштриховано синим).  Цвета указывают на процент от обычного времени жизни МЗ, которое звезда проживет до того, как будет поглощена ЧД; коричневый цвет сверху означает, что звезда проживет столько же, как и без ЧД, а белый - что ЧД сократит время жизни звезды вдвое. Белым цветом в центре показано сравнение между светимостью от аккреции и светимостью от слияния, показывающее, например, что звезда с энергией 1 М⊙ может достичь  светимости 1 L⊙ от медленного разрушения ЧД с энергией 10^-4 М⊙. Толстая белая пунктирная линия показывает переход Бонди-Эддингтона, то есть момент, когда ЧД станет достаточно массивной, чтобы ее аккреционная светимость достигла предела Эддингтона.  Белые пунктирные линии справа показывают, когда ЧД составляет 1%, 10% и 50% от звездной массы. Например, звезда с массой 1 Me ⊙, с ЧД в 0,1 M⊙,  может прожить ≳ 300 млн. лет.

Также эксперты получили результаты для разных звездных масс и металличности. Уникальные внутренние структуры звезд, потенциально способных приютить первичные черные дыры, возможно, позволят обнаружить их с помощью астеросейсмологии, если конечно они существуют. В заключение авторы перечислили список нерешенных проблем и прогнозы на будущее.