В интервью для канала Event Horizon астрофизик, профессор Йельского университета Эрл Беллингер (Earl Bellinger) обсуждает одну из самых интригующих гипотез современной космологии: возможность существования первичных чёрных дыр, захваченных звёздами. Исследование Беллингера предлагает новый взгляд на проблему тёмной материи и эволюцию светил, вводя понятие «звёзд Хокинга».
🌌 Первичные чёрные дыры: наследие Большого взрыва 3:07
Концепция первичных чёрных дыр (ПЧД) восходит к работам Стивена Хокинга и его современников. В отличие от обычных чёрных дыр, которые образуются в результате коллапса массивных звёзд в конце их жизненного цикла, ПЧД могли возникнуть в первые мгновения после Большого взрыва . В условиях сверхвысокой плотности ранней Вселенной локальные флуктуации материи могли коллапсировать непосредственно в чёрные дыры.
Основные характеристики первичных чёрных дыр согласно Беллингеру:
- Диапазон масс: ПЧД могут обладать массой от крошечных значений (равных массе астероида или Луны) до сверхмассивных объектов .
- Зависимость от времени: Масса ПЧД пропорциональна кубу времени их образования ($t^3$).
- Испарение: Крошечные чёрные дыры со временем теряют массу из-за излучения Хокинга. Те, что имели массу менее $10^{-20}$ массы Солнца, к настоящему моменту уже должны были полностью испариться .
Беллингер отмечает, что ПЧД являются идеальными кандидатами на роль тёмной материи, так как их существование не требует пересмотра известных законов физики элементарных частиц . Если астероидоподобные ПЧД составляют всю тёмную материю, то, по расчётам учёного, в среднем они должны находиться на расстоянии около одной астрономической единицы (расстояние от Земли до Солнца) друг от друга . Это означает, что прямо сейчас одна такая чёрная дыра может скрываться в пределах нашей Солнечной системы.
🌟 Звёзды Хокинга: когда чёрная дыра становится сердцем светила 14:29
Термин «звезда Хокинга», предложенный Эрлом Беллингером, описывает гипотетический объект: звезду, в центре которой находится захваченная первичная чёрная дыра . Эта идея была впервые высказана Хокингом в 1971 году в качестве возможного решения «проблемы солнечных нейтрино».
Исторический контекст и механизм:
- Проблема нейтрино: В 1970-х годах детекторы фиксировали лишь треть от предсказанного количества нейтрино от Солнца. Хокинг предположил, что если в центре Солнца есть чёрная дыра, она может обеспечивать часть светимости за счёт аккреции, снижая потребность в термоядерных реакциях и, соответственно, уменьшая поток нейтрино .
- Современный статус: Хотя проблема нейтрино была позже решена открытием нейтринных осцилляций, гипотеза о захвате чёрных дыр звёздами обрела второе дыхание в контексте поиска тёмной материи .
- Частота явления: По оценкам Беллингера, в нашей Галактике может существовать от 1 000 до 10 000 звёзд, рождённых с чёрной дырой в центре .
Процесс захвата происходит на этапе формирования звезды из газопылевого облака. Если чёрная дыра оказывается внутри, она начинает медленно «поедать» звезду изнутри. Скорость этого процесса критически зависит от массы ПЧД. По словам Беллингера, объект массой менее одной триллионной массы Солнца не успеет существенно поглотить звезду даже за всё время существования Вселенной .
🛠 Три сценария эволюции «инфицированных» звёзд 19:34
В сотрудничестве с экспертами по аккреции Беллингер разработал модели того, как чёрная дыра влияет на жизнь звезды. Учёные выделили три основных сценария, зависящих от физики поглощения материи:
- Сценарий Эддингтоновского предела: Излучение от аккреции на чёрную дыру уравновешивается гравитацией падающего вещества. В этом случае светимость чёрной дыры становится настолько высокой, что термоядерный синтез в звезде полностью прекращается . Звезда раздувается, превращаясь в красный гигант, и становится полностью конвективной (энергия переносится только перемешиванием плазмы). В таком состоянии «звезда Хокинга» может жить миллиарды лет .
- Быстрая эволюция: Сходен с первым, но без строгого баланса излучения и гравитации. Звезда также становится красным гигантом, но процесс протекает гораздо быстрее — за миллионы лет .
- Захват фотонов (Photon Trapping): Если звезда вращается очень медленно, генерируемые при аккреции фотоны не могут вырваться наружу и поглощаются чёрной дырой. В этом случае звезда не раздувается, а просто внезапно исчезает с неба, коллапсируя в чёрную дыру без взрыва сверхновой .
🔍 Красные страгглеры и поиск «улики» 25:17
Беллингер предполагает, что звёзды Хокинга могут скрываться среди так называемых «страгглеров» (отставших звёзд). На диаграмме Герцшпрунга — Рассела (HR-диаграмма) большинство звёзд из одного скопления выстраиваются вдоль определённой линии — изохроны. Однако некоторые объекты выбиваются из этого ряда .
- Красные страгглеры: Это звёзды, которые холоднее и краснее обычных красных гигантов. На данный момент известно около 500 таких объектов, и их происхождение трудно объяснить стандартными моделями .
- Аномальная структура: По мнению Беллингера, присутствие чёрной дыры делает красного гиганта полностью конвективным. Это означает, что химический состав такой звезды будет абсолютно однородным, так как конвекция перемешивает все слои, уничтожая продукты термоядерного синтеза в ядре .
Главным доказательством (smoking gun) существования звезды Хокинга Беллингер называет методы астеросейсмологии — изучение звуковых волн внутри звёзд .
Аргументы астеросейсмологии:
- В обычных красных гигантах существуют «смешанные моды» колебаний (комбинация звуковых волн на поверхности и гравитационных волн в ядре) .
- В полностью конвективной звезде Хокинга смешанные моды должны отсутствовать, оставляя только чистые волны давления .
- Беллингер планирует использовать данные миссий Kepler и TESS для поиска таких аномальных пульсаций у красных страгглеров .
☀️ Судьба Солнца: есть ли повод для беспокойства? 33:26
Один из самых частых вопросов, которые задают Беллингеру: может ли в центре нашего Солнца находиться чёрная дыра? Учёный успокаивает аудиторию: данные гелиосейсмологии подтверждают структуру Солнца с точностью более 99%, что практически исключает наличие там массивного компактного объекта .
Однако, если бы в центре Солнца всё же оказалась ПЧД массой около $10^{-10}$ солнечных масс, последствия были бы катастрофическими:
- Преждевременное расширение: Солнце могло бы превратиться в красного гиганта гораздо раньше предсказанных 5 миллиардов лет .
- Остановка роста: В отличие от нормальной эволюции, чёрная дыра поглотила бы Солнце раньше, чем оно достигло бы своего максимального размера, но выросшей светимости всё равно хватило бы, чтобы выкипятить океаны Земли .
- Итог для человечества: Беллингер шутит, что в любом сценарии — будь то нормальная эволюция Солнца или превращение его в звезду Хокинга — человечеству в долгосрочной перспективе понадобится «план Б» .
