Схематическое изображение конкурирующих процессов, определяющих эволюцию эндопаразитической чёрной дыры (ЭЧД) внутри компактной звезды. ЭЧД одновременно аккрецирует барионную материю из звёздной среды (чёрные стрелки) и захваченные частицы тёмной материи (синие стрелки), теряя при этом массу за счёт излучения Хокинга (красные стрелки). Три панели иллюстрируют возможные режимы: (а) преобладает аккреция, и ЭЧ растёт; (б) аккреция и излучение Хокинга уравновешивают друг друга, и ЭЧ сохраняет примерно постоянную массу; (в) преобладает излучение Хокинга, и ЭЧ сжимается и в конечном итоге испаряется. Относительное количество стрелок схематически отражает соотношение между соответствующими скоростями массового потока. В случае (b) масса EBH может составлять всего 40 метрических тонн
В 1974 году Стивен Хокинг сделал предсказание, которое изменило наше понимание чёрных дыр. Он показал, что чёрные дыры на самом деле не совсем чёрные: они медленно теряют энергию в результате квантового процесса, который теперь известен как излучение Хокинга. И чем легче чёрная дыра, тем быстрее она испаряется.
Однако крошечные чёрные дыры, о которых идёт речь в новой работе, опубликованной в журнале Physical Review D, вовсе не обязательно должны были существовать ещё с начала Вселенной. Они могли сформироваться гораздо позже внутри компактных звёзд. Нейтронные звёзды и белые карлики способны захватывать гипотетические сверхтяжёлые частицы асимметричной тёмной материи. Поскольку такие частицы не аннигилируют эффективно, они могут накапливаться в ядре звезды, становиться самогравитирующими и в конце концов коллапсировать с образованием крошечной эндопаразитической чёрной дыры.
После образования судьба такой чёрной дыры определяется не только излучением Хокинга. Находясь в плотном веществе звезды, она может набирать массу, поглощая обычное вещество звезды, а при принятом в модели предположении об эффективном захвате также продолжая пожирать и тёмную материю.
При благоприятных условиях, как показывают расчёты, критическая масса чёрной дыры может снижаться примерно до 40 тонн — практически до массы гружёного грузовика. Чёрная дыра с массой выше этого порога способна преодолеть излучение Хокинга и продолжить расти.
Недавно сформировавшаяся эндопаразитическая чёрная дыра не обязательно сразу начинает поглощать свою звезду. Её судьбу определяет конкуренция процессов: аккреция звёздного вещества и продолжающийся приток тёмной материи увеличивают её массу, а излучение Хокинга уменьшает.
У этой идеи есть и квантовое осложнение. Для чрезвычайно маленькой чёрной дыры обычное описание аккрецирующего вещества как непрерывной жидкости может перестать работать. Длина волны падающей частицы может стать сравнимой с характерным масштабом чёрной дыры, и тогда поглощение частиц придётся описывать квантово‑механически.
Эта конкуренция определяет критическую массу чёрной дыры. Ниже неё побеждает излучение Хокинга, и устойчивый рост невозможен. Выше этого значения приток вещества способен превысить потери на испарение, и чёрная дыра может продолжить расти. Продолжающийся приток тёмной материи способен резко уменьшить критическую массу.
Если не учитывать тёмную материю и рассматривать только аккрецию звёздного вещества и излучение Хокинга, характерная критическая масса в некоторых моделях компактных звёзд может составлять около 10^10 кг.
При учёте продолжающегося притока тёмной материи этот порог может снизиться гораздо сильнее. Для белого карлика в галактическом диске, где находится и Солнечная система, критическая начальная масса составляет около 10 000 тонн. В рассмотренной в исследовании гораздо более богатой тёмной материей области галактического балджа она может снизиться всего до 40 тонн. Для миллисекундного пульсара в галактическом балдже соответствующая критическая масса составляет около 600 тонн.
Это не означает, что чёрная дыра массой 40 тонн уже наблюдалась. Речь идёт о том, что при конкретных рассмотренных условиях чёрная дыра с начальной массой чуть выше этого критического значения может иметь положительную скорость роста вместо испарения за счёт излучения Хокинга. Если времени достаточно, она способна продолжить расти, в конечном итоге поглотить звезду‑хозяина и превратить её в чёрную дыру.
Источник: habr.com