Черная дыра массой всего 40 тонн способна выжить внутри звезды благодаря темной материи

Астрофизика не перестает удивлять тем, как грандиозные космические объекты помогают изучать едва уловимые свойства микромира. Возраст самых старых белых карликов в Млечном Пути превышает десять миллиардов лет, а миллисекундные пульсары стабильно работают более миллиарда лет. Группа физиков-теоретиков из Манипальского центра естественных наук и Института фундаментальных исследований Тата в Индии задалась вопросом: а должны ли эти звезды вообще существовать, если определенные модели темной материи верны? Ответ, который они получили, оказался неожиданным и жестким одновременно.

Около 85 процентов массы вещества во Вселенной приходится на темную материю, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии и выдает себя лишь через гравитацию. В стандартных моделях частицы и античастицы темной материи аннигилируют при встрече, однако существует класс теорий — асимметричная темная материя, — где частицы стабильны и могут накапливаться сколь угодно долго. Если масса таких частиц лежит в диапазоне от миллиона до ста триллионов гигаэлектронвольт (для сравнения: масса протона — около одного гигаэлектронвольта), их поведение при столкновении с веществом компактных звезд кардинально меняется.

Белые карлики и нейтронные звезды — это природные ловушки для тяжелых частиц. Плотность нейтронной звезды превышает плотность атомного ядра, и частица темной материи, проходя сквозь нее, испытывает многократное рассеяние на нуклонах, теряет энергию и оказывается гравитационно захваченной. Постепенно такие частицы оседают в центре звезды, формируя сверхплотное ядро. Когда плотность этого ядра превышает плотность окружающего вещества, а масса накопленного сгустка преодолевает квантовый предел устойчивости, происходит гравитационный коллапс — в центре звезды рождается микроскопическая черная дыра, которую теоретики называют эндопаразитической.

Судьба новорожденной сингулярности определяется балансом трех процессов: квантового испарения Хокинга, поглощения обычного вещества и непрерывного поступления новых частиц темной материи. Классические расчеты учитывали только первые два фактора и давали высокий порог выживания — сотни миллиардов килограммов. Однако индийские исследователи включили в модель третий, решающий компонент — постоянную темную подпитку, которая не зависит от квантовых ограничений на поглощение барионов. Дополнительно они учли квантовый режим Унру: когда горизонт событий меньше длины волны де Бройля падающего нуклона, скорость поглощения обычного вещества резко падает — в пять раз для нейтронных звезд и в миллион раз для белых карликов.

Результат оказался поразительным. Приток темной материи компенсирует потери от излучения Хокинга на самых ранних этапах, и минимальная масса устойчивого зародыша черной дыры снижается до ста миллионов килограммов для нейтронных звезд в галактическом диске и до ста тысяч килограммов в центральных областях. Для белых карликов в галактическом балдже порог выживания падает до сорока тонн. Объект массой в десятки тонн, который ранее считался обреченным на мгновенное испарение, теперь способен стабильно расти, поглощая темную материю, перерастая квантовый порог и в конечном счете полностью уничтожая родительскую звезду.

Время полной трансмутации звезды в черную дыру складывается из периода накопления критической массы и периода гравитационного поглощения. Если начальная масса лишь незначительно превышает критическую, возникает логарифмическая расходимость — время поглощения формально стремится к бесконечности. Но стоит массе преодолеть порог хотя бы на небольшую величину, темп аккреции быстро нарастает, и звезда поглощается за сотни тысяч или миллионы лет — ничтожный срок по сравнению с ее собственной жизнью.

Из этой модели следует принципиальный вывод: если бы частицы темной материи эффективно взаимодействовали с барионами, древние пульсары и белые карлики в регионах с высокой плотностью темной материи давно прекратили бы существование. Тот факт, что астрономы наблюдают их сегодня, накладывает жесткие ограничения на свойства сверхтяжелой темной материи. Стабильность старых звездных остатков исключает возможность рассеяния тяжелых частиц на нуклонах выше определенных ультрамалых значений сечения — границы, которые оказались на много порядков строже пределов, доступных наземным детекторам вроде LUX-ZEPLIN. Подземные установки с резервуарами жидкого ксенона бессильны в поиске частиц огромной массы: при фиксированной плотности гало в единице объема содержится слишком мало таких объектов, чтобы зафиксировать редкое событие. Компактные звезды работают как природные детекторы объемом в миллионы кубических километров, накапливающие статистику столкновений на протяжении миллиардов лет.

Работа индийских теоретиков связывает квантовое поведение микроскопических гравитационных объектов с макроскопической динамикой звездных систем и указывает на два возможных сценария: либо вероятность рассеяния сверхтяжелых частиц на обычном веществе исчезающе мала, либо между частицами темной материи действуют силы самоотталкивания, препятствующие сжатию центрального сгустка. Кроме того, модель описывает случай, когда черная дыра образуется с массой чуть ниже критического порога: тогда преобладает испарение Хокинга, и микроскопический объект распадается внутри звезды, передавая энергию окружающему веществу в виде тепла. Это открывает возможность для наблюдательной астрономии — регистрация аномально нагретых старых белых карликов в зонах высокой концентрации темной материи может стать прямым свидетельством регулярного квантового распада субмикроскопических черных дыр. Древние звездные остатки, спокойно светящие на протяжении миллиардов лет, оказываются самыми чувствительными приборами для проверки фундаментальных теорий устройства Вселенной.