Как черная дыра массой с грузовик теоретически может расти внутри мертвой звезды

Черная дыра массой с загруженный грузовик звучит почти как противоречие. Мы привыкли связывать эти объекты с массами звезд или миллионов Солнц, однако общая теория относительности сама по себе не запрещает существование гораздо меньших черных дыр. Проблема возникает из-за квантовой физики: чем черная дыра легче, тем интенсивнее излучение Хокинга и тем быстрее она должна терять массу. Новые теоретические расчеты показывают необычное исключение: если такая черная дыра находится внутри компактной звезды и постоянно получает новое вещество, даже объект начальной массой около 40 тонн при определенных условиях способен не уменьшаться, а расти.

Идея начинается с темной материи. Нейтронная звезда или белый карлик обладают мощным гравитационным полем и теоретически могут захватывать проходящие через них частицы темной материи. Если эти гипотетические частицы достаточно массивны и практически не аннигилируют друг с другом, они способны постепенно концентрироваться около центра звезды. При определенных параметрах накопившееся вещество может стать самогравитирующим и коллапсировать, образовав микроскопическую черную дыру внутри звездного объекта.

Такую систему исследователи называют эндопаразитической черной дырой. Название хорошо передает ее положение: объект возникает внутри звезды-хозяина и начинает взаимодействовать с окружающим веществом. Но образование черной дыры еще не означает гибель звезды. Сразу после появления начинается соревнование двух противоположных процессов.

Первый увеличивает массу. Черная дыра может поглощать обычное вещество белого карлика или нейтронной звезды, а также продолжать захватывать темную материю. Второй процесс работает против нее – излучение Хокинга заставляет черную дыру терять энергию и массу. Победитель этого соревнования определяет дальнейшую судьбу системы.

Излучение Хокинга особенно эффективно для малых черных дыр. Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе: уменьшение объекта делает излучение интенсивнее, а дальнейшее испарение – быстрее. Поэтому изолированная микроскопическая черная дыра не может рассматриваться просто как уменьшенная версия гиганта в центре галактики.

Здесь важно не смешивать две разные шкалы. Часто упоминается первичная черная дыра массой порядка 10¹² килограммов: примерно такая масса соответствует времени испарения, сравнимому с возрастом Вселенной. Но речь идет об объекте, который должен был существовать практически изолированно с ранних космологических эпох. Для черной дыры, недавно возникшей внутри звезды, вопрос другой: получает ли она каждую секунду больше массы, чем теряет?

Если учитывать только обычное звездное вещество и излучение Хокинга, характерная критическая масса в некоторых моделях компактных звезд составляет порядка 10¹⁰ килограммов. Ниже границы испарение оказывается слишком быстрым, выше – аккреция способна взять верх. Но постоянный приток темной материи существенно меняет баланс.

Расчеты Чандрачура Чакраборти, Х. А. Адарши и Судипа Бхаттачарьи показывают, что в богатой темной материей среде критический порог может уменьшиться на многие порядки. Для белого карлика в условиях галактического диска он оценивается примерно в 10 тысяч метрических тонн. В более плотной по темной материи области галактического балджа при выбранных параметрах модели порог способен опуститься приблизительно до 40 тонн. Для нейтронной звезды в такой среде соответствующая оценка составляет около 600 тонн.

Цифра 40 тонн впечатляет еще сильнее, если представить размер такого объекта. Шварцшильдовский радиус черной дыры растет пропорционально массе. Для массы порядка 40 тысяч килограммов он составляет величину порядка 10⁻²² метра – намного меньше протона. Поэтому выражение «черная дыра размером с грузовик» было бы совершенно неверным: с грузовиком сопоставима только ее масса.

При столь малых масштабах возникает еще одна проблема. Обычная модель аккреции рассматривает окружающее вещество примерно как непрерывную жидкость. Но если характерный размер черной дыры становится меньше или сопоставим с квантовыми масштабами частиц, такое приближение перестает быть надежным. Авторы поэтому учитывают режим, где поглощение вещества необходимо описывать как взаимодействие с отдельными квантовыми частицами. По мере роста объекта ситуация постепенно переходит к более привычной гидродинамической аккреции.

Самая эффектная часть сценария – его возможный финал. Если черная дыра оказывается выше критического порога, ее масса начинает увеличиваться. Чем она становится тяжелее, тем слабее относительное значение испарения Хокинга и тем эффективнее может становиться аккреция. В достаточно длительной перспективе объект теоретически способен поглотить значительную часть звезды-хозяина и превратить всю систему в черную дыру гораздо большей массы.

Однако здесь необходимо подчеркнуть границу между расчетом и наблюдением. Черная дыра массой 40 тонн не обнаружена ни внутри белого карлика, ни где-либо еще. Не доказано и существование сверхтяжелых асимметричных частиц темной материи, необходимых для рассматриваемого сценария. Результат показывает, что при определенном наборе физических параметров такой объект математически способен расти, а не утверждает, что подобные черные дыры действительно распространены во Вселенной.

Парадоксально, но именно отсутствие уничтоженных звезд может помочь проверить гипотезу. Если определенный тип темной материи должен эффективно накапливаться в компактных звездах, создавать черные дыры и сравнительно быстро разрушать хозяев, тогда очень старые белые карлики и нейтронные звезды не должны доживать до наблюдаемого возраста. Их существование позволяет исключать некоторые сочетания массы частиц темной материи и силы их взаимодействия с обычным веществом.

Получается необычный естественный эксперимент. Нейтронная звезда может существовать миллиарды лет, непрерывно двигаясь сквозь галактическое гало темной материи. Мы не можем заглянуть в ее центр и непосредственно проверить наличие микроскопической черной дыры, но можем наблюдать сам факт выживания звезды. Иногда отсутствие катастрофы оказывается не менее информативным, чем ее обнаружение.