Учёные выяснили как чёрная дыра весом всего 40 тонн может выжить внутри звезды

Чёрная дыра массой всего около 40 тонн теоретически может существовать внутри плотной звезды и не исчезнуть мгновенно благодаря подпитке тёмной материей. Новое исследование показало, что при определённых условиях даже такие невероятно маленькие объекты способны преодолеть разрушительное воздействие квантового испарения и начать постепенно расти.

Обычные представления о чёрных дырах предполагают, что чем меньше их масса, тем быстрее они теряют энергию. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что чёрные дыры не являются полностью «чёрными»: из-за квантовых процессов они испускают излучение, получившее название излучения Хокинга.

Для очень маленьких чёрных дыр этот процесс становится особенно важным. Например, первичная чёрная дыра массой около 10¹² килограммов могла бы существовать примерно столько же, сколько существует Вселенная. Более лёгкие объекты, если бы они появились в ранней Вселенной, уже должны были бы исчезнуть.

Однако исследователи рассмотрели другой сценарий — появление микроскопических чёрных дыр внутри компактных звёзд, таких как белые карлики и нейтронные звёзды.

Учёные предположили, что сверхтяжёлые частицы тёмной материи могут постепенно захватываться такими звёздами. Если эти частицы не уничтожают друг друга при столкновениях, они способны накапливаться в центре звезды, формируя область высокой плотности. Со временем такая область может коллапсировать и создать небольшую чёрную дыру внутри самой звезды.

Такой объект исследователи называют эндопаразитической чёрной дырой — чёрной дырой, которая находится внутри другого космического тела.

После появления такая чёрная дыра оказывается в условиях постоянной борьбы между двумя процессами. С одной стороны, она теряет массу из-за излучения Хокинга. С другой — получает вещество от окружающей звёздной материи и продолжает поглощать частицы тёмной материи.

Именно эта подпитка может изменить судьбу объекта. Расчёты показали, что при благоприятных условиях чёрная дыра с начальной массой около 40 тонн может не испариться, а начать расти.

Главную роль здесь играет количество тёмной материи вокруг звезды. Без её учёта критическая масса, необходимая для роста такой чёрной дыры, значительно выше.

Если учитывать только поглощение обычного вещества звезды и потерю массы из-за излучения Хокинга, критическая масса в некоторых случаях может достигать примерно 10¹⁰ килограммов.

Но при постоянном поступлении тёмной материи этот предел снижается. Для белого карлика в области галактического диска, где находится Солнечная система, расчёты показывают критическую начальную массу около 10 тысяч тонн. В центре Галактики, где концентрация тёмной материи выше, она может уменьшиться примерно до 40 тонн.

Для нейтронной звезды в богатой тёмной материей области галактического центра этот предел составляет около 600 тонн.

Учёные подчёркивают, что это не означает обнаружение 40-тонной чёрной дыры. Речь идёт о теоретической возможности: при определённых параметрах такая чёрная дыра может иметь положительный баланс массы, то есть получать больше вещества, чем терять.

Если процесс продолжится достаточно долго, объект сможет постепенно увеличиваться и в конечном итоге полностью изменить судьбу своей звезды, превратив её в чёрную дыру.

Исследование также позволяет использовать сами звёзды как своеобразные природные детекторы тёмной материи. Если бы определённые частицы тёмной материи слишком эффективно создавали растущие чёрные дыры внутри звёзд, многие древние белые карлики и миллисекундные пульсары просто не смогли бы существовать миллиарды лет.

Таким образом, сохранение старых компактных звёзд позволяет учёным ограничивать свойства гипотетических частиц тёмной материи и оценивать, насколько сильно они могут взаимодействовать с обычным веществом.

Авторы исследования отмечают, что на результат могут влиять дополнительные факторы, включая вращение звезды и её магнитное поле. В будущем эти эффекты необходимо учитывать для более точных моделей.

Работа показывает, что окружающая среда способна радикально изменить судьбу даже самых маленьких чёрных дыр: объект, который в пустом космосе быстро испарился бы, внутри плотной звезды может получить источник питания и начать расти.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review D.