Впечатление художника от помещения маленькой черной дыры в центр Солнца в ходе мысленного эксперимента. Фото: Викимедиа/Creative Commons.
По гипотетическому сценарию маленькие первичные черные дыры могут быть захвачены вновь образующимися звездами. Международная группа, возглавляемая исследователями из Института астрофизики Макса Планка, смоделировала эволюцию так называемых «звезд Хокинга» и обнаружила, что они могут иметь удивительно долгую жизнь, во многих аспектах напоминая обычные звезды. Работа опубликована в The Astrophysical Journal.
Астеросейсмология могла бы помочь идентифицировать такие звезды, что, в свою очередь, могло бы проверить существование первичных черных дыр и их роль в качестве компонента темной материи.
Давайте выполним научное упражнение: если предположить, что большое количество очень маленьких черных дыр было создано сразу после Большого взрыва (так называемые первичные черные дыры), некоторые из них могут быть захвачены во время формирования новых звезд. Как это повлияет на звезду при ее жизни?
«Ученые иногда задают сумасшедшие вопросы, чтобы узнать больше», — говорит Сельма де Минк, директор звездного отдела Института астрофизики Макса Планка (MPA). «Мы даже не знаем, существуют ли такие первичные черные дыры, но мы все равно можем провести интересный мысленный эксперимент».
Первичные черные дыры могли образоваться в очень ранней Вселенной с широким диапазоном масс: от небольших, как астероид, до тысяч солнечных масс. Они могут составлять важный компонент темной материи, а также быть зародышами сверхмассивных черных дыр в центрах современных галактик.
С очень малой вероятностью новообразующаяся звезда могла бы захватить черную дыру массой астероида или небольшой луны, которая затем заняла бы центр звезды. Такая звезда называется «звездой Хокинга» в честь Стивена Хокинга, который впервые предложил эту идею в статье 1970-х годов.
Диаграммы Киппенхана, показывающие эволюцию внутренней части Солнца с центральной ЧД и без нее. На левых панелях показано массовое распределение с указанием регионов производства и транспорта энергии. На правых панелях показано радиальное распределение: указаны радиус фотосферы (черная линия) и радиус Солнца (горизонтальная пунктирная линия). Верхние панели соответствуют нормальной модели солнечной эволюции, развивающейся через ГП до истощения водорода в ядре и вверх через горение водородной оболочки как красного гиганта. На нижних панелях показана модель, соответствующая современному Солнцу, с растущей ЧД в его центре. Ядерный синтез (красный) обеспечивает большую часть солнечной светимости до тех пор, пока ЧД не достигнет достаточной массы для гашения реакций. ЧД вызывает конвекцию (люки), которая перемешивает самые внутренние части ядра, а в конечном итоге и всю звезду. Обратите внимание на различия в масштабе оси Y между панелями. Фото: Астрофизический журнал (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/ad04de
Черная дыра в центре такой звезды Хокинга будет расти очень медленно, поскольку приток газа для питания черной дыры затрудняется исходящей светимостью. Международная группа ученых смоделировала эволюцию такой звезды с различными начальными массами черной дыры и разными моделями аккреции звездного центра. Их поразительный результат: когда масса черной дыры мала, звезда практически неотличима от обычной звезды.
«Звезды, имеющие в своем центре черную дыру, могут жить на удивление долго», — говорит Эрл Патрик Беллинджер, постдок MPA, а ныне доцент Йельского университета, который руководил исследованием. «Наше Солнце может даже иметь в центре черную дыру такой же массивной, как планета Меркурий, и мы этого не заметим».
Основное различие между такой звездой Хокинга и обычной звездой будет находиться вблизи ядра, которое станет конвективным из-за аккреции на черную дыру. Это не изменит свойств звезды на ее поверхности и ускользнет от нынешних возможностей обнаружения. Однако его можно обнаружить с помощью относительно новой области астеросейсмологии, где астрономы используют акустические колебания для исследования недр звезды.
Кроме того, в своей более поздней эволюции, в фазе красного гиганта, черная дыра может привести к появлению характерных признаков. В рамках будущих проектов, таких как PLATO, такие объекты могут быть обнаружены. Однако необходимы дальнейшие симуляции, чтобы определить последствия помещения черной дыры в звезды различной массы и металличности.
Если бы первичные черные дыры действительно образовались вскоре после Большого взрыва, поиск звезд Хокинга мог бы быть одним из способов их найти.
«Несмотря на то, что Солнце используется в качестве упражнения, есть веские основания полагать, что звезды Хокинга будут обычным явлением в шаровых скоплениях и ультратусклых карликовых галактиках», — отмечает профессор Мэтт Каплан из Университета штата Иллинойс, соавтор исследования.
«Это означает, что звезды Хокинга могут стать инструментом для проверки как существования первичных черных дыр, так и их возможной роли в качестве темной материи».
Информация от: Обществом Макса Планка
