Черные дыры могут расти прямо внутри звезд: Ученые подозревают, что звезды «заражены» черными дырами из-за тёмной материи

Когда мы слышим о черных дырах, воображение обычно рисует картины космических катаклизмов: гигантская звезда исчерпывает свое топливо, коллапсирует под собственной гравитацией и взрывается сверхновой, оставляя после себя объект невероятной плотности, жадно поглощающий всё вокруг. Это классический, драматический сценарий. Но что, если существуют и другие, куда более тихие и незаметные пути рождения этих космических монстров? Что, если черная дыра может зародиться и расти в самых недрах звезды, которая снаружи продолжает сиять, как ни в чем не бывало?

Недавние астрофизические исследования, результаты которых опубликованы в авторитетном журнале Physical Review D, предполагают именно такой, почти конспирологический, сценарий. И он, честно говоря, заставляет по-новому взглянуть на жизненные циклы звезд и на саму природу черных дыр.

Загадка «легковесных» черных дыр: откуда дровишки?

Все началось с наблюдений, которые не укладывались в привычную картину. Детекторы гравитационных волн, такие как LIGO и Virgo, стали фиксировать события, указывающие на существование черных дыр с массой, близкой к солнечной или даже меньше. Постойте, но ведь стандартные модели звездной эволюции говорят нам, что звезды такой относительно небольшой массы просто не способны коллапсировать в черную дыру! Они должны заканчивать свой путь как белые карлики или нейтронные звезды. Откуда же тогда берутся эти «легковесы»?

Ученые предложили интригующую гипотезу: виновницей может быть темная материя. Да-да, та самая загадочная субстанция, которая составляет львиную долю массы Вселенной, но которую мы не можем увидеть или пощупать, и о существовании которой судим лишь по ее гравитационному влиянию на галактики. Теория гласит, что частицы темной материи могут постепенно, на протяжении миллионов и миллиардов лет, накапливаться в центре звезд. И когда их концентрация достигает критической точки, это может спровоцировать локальный коллапс, приводящий к образованию крошечной, первичной черной дыры прямо в сердце светила. Звезда при этом снаружи может выглядеть совершенно обычно, не подозревая о «паразите», затаившемся внутри.

Тихий коллапс: когда звезда съедает себя изнутри

Итак, в ядре звезды родилась черная дыра. Что дальше? Дальше она начинает делать то, что умеет лучше всего — поглощать материю. Но вот скорость этого процесса и конечная судьба такой «гибридной» системы зависят от множества факторов, в первую очередь — от типа звезды и, что особенно любопытно, от скорости ее вращения.

Белые карлики: три сценария звездной драмы

Белые карлики — это сверхплотные остатки звезд, похожих на наше Солнце. Они уже не производят энергию путем термоядерного синтеза, а их стабильность поддерживается за счет так называемого давления вырожденного электронного газа — квантовомеханического эффекта, не дающего им сжаться дальше. Представьте себе объект размером с Землю, но с массой, сравнимой с солнечной!

Судьба белого карлика, приютившего такую кроху, зависит от одного критически важного параметра — скорости его вращения. И тут, как в хорошей драме, возможны три исхода:

1. Медленное вращение — полное поглощение: Если белый карлик вращается неспешно, вещество из его недр относительно легко падает на центральную черную дыру. Она начинает быстро набирать массу, и в конце концов весь белый карлик оказывается съеденным, превращаясь в полноценную черную дыру небольшой массы. Классический пример «тихого убийства».
2. Умеренное вращение — рождение экзотики: При определенных, промежуточных скоростях вращения, коллапс может пойти по еще более странному пути. Вещество устремляется к центру так быстро и хаотично, что горизонт событий — та самая точка невозврата, из-за которой черная дыра и называется черной — может не успеть сформироваться. Результатом может стать так называемая голая сингулярность. Это гипотетический объект, где вся масса сосредоточена в точке бесконечной плотности, но эта точка не прикрыта горизонтом событий. Если такие объекты действительно существуют, они бросают вызов основам физики, в частности, принципу «космической цензуры», который гласит, что сингулярности всегда должны быть скрыты. Возможность наблюдать голую сингулярность — это как заглянуть под капот Вселенной и увидеть ее самые потаенные механизмы. И это, к слову, совершенно новый предложенный канал образования таких экзотических объектов.
3. Быстрое вращение — хрупкое сожительство: А вот если белый карлик вращается очень быстро, центробежные силы и эффекты вязкости звездного вещества могут значительно замедлить падение материи на черную дыру. Формируются своеобразные полярные «воронки», через которые вещество может уходить, не попадая в пасть хищника. Рост черной дыры резко тормозится. Она становится своего рода «эндопаразитом» — тихо существующим в центре звезды, очень медленно подпитываясь ее веществом. Такой объект ученые назвали гибридной звездой или «звездой-кентавром». Снаружи она может выглядеть как обычный белый карлик, но внутри нее тикает бомба замедленного действия. Сколько времени такой симбиоз может продолжаться — вопрос открытый.

Нейтронные звезды: без шансов на выживание

С нейтронными звездами все гораздо прозаичнее и трагичнее для звезды. Эти объекты еще плотнее белых карликов. Чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы на Земле миллиарды тонн! Если в центре такой сверхплотной структуры образуется даже самая крошечная черная дыра, ее судьба предрешена.

Из-за колоссальной плотности окружающей материи черная дыра начнет расти с огромной скоростью, выедая нейтронную звезду изнутри. Здесь уже не помогут никакие скорости вращения. Процесс будет быстрым и необратимым. Вчера была нейтронная звезда, а сегодня — черная дыра, родившаяся практически беззвучно, без яркой вспышки сверхновой.

В поисках звездных «невидимок»

Конечно, все это пока теоретические построения. Но как же обнаружить эти скрытые черные дыры или гибридные звезды, если они так хорошо маскируются? Ученые полагают, что полностью незаметными они быть не могут.

• Гравитационные аномалии: Даже небольшая черная дыра внутри звезды будет оказывать гравитационное влияние, которое может проявиться в едва заметных изменениях орбиты, если звезда входит в двойную систему.
• Необычное остывание: Процессы аккреции вещества на внутреннюю черную дыру, даже медленные, могут влиять на температурный режим звезды, вызывая аномалии в скорости ее остывания.
• Особые спектральные линии: Возможно, взаимодействие вещества звезды с черной дырой породит специфические линии в спектре звезды, которые можно будет зафиксировать.

Где же искать такие объекты в первую очередь? Наиболее перспективным местом считается галактический балдж — центральная, эллипсоидальная область нашей Галактики. Считается, что именно там концентрация темной материи особенно высока, что повышает шансы на «заражение» звезд внутренними черными дырами. Обнаружение в этой области черных дыр субсолнечных масс, голых сингулярностей или гибридных звезд стало бы мощным аргументом в пользу изложенной теории.

Что это меняет для науки? Глобальные последствия «тихого сценария»

Если гипотеза о внутреннем росте черных дыр подтвердится, это будет иметь далеко идущие последствия для нашего понимания Вселенной.

Во-первых, это кардинально меняет наши представления о звездной эволюции и смерти. Появляется еще один, совершенно нетривиальный путь превращения звезды в черную дыру, минуя стадию сверхновой.

Во-вторых, это открывает совершенно новый, неожиданный способ изучения темной материи. Если звезды действительно могут «захватывать» частицы темной материи и превращать их в черные дыры, то наблюдая за такими процессами, мы сможем косвенно судить о свойствах и поведении этих неуловимых частиц. Сами звезды становятся гигантскими естественными детекторами темной материи!

В-третьих, подтверждение существования голых сингулярностей, рожденных таким путем, стало бы настоящей революцией в фундаментальной физике. Это означало бы, что принцип космической цензуры, один из столпов Общей теории относительности Эйнштейна, может нарушаться, открывая нам доступ к изучению физики сингулярностей напрямую.

Так что, когда в следующий раз вы будете любоваться звездным небом, помните: не все то золото, что блестит. За спокойным сиянием какой-нибудь далекой звезды может скрываться невероятная драма — безмолвное рождение и рост черной дыры, или даже чего-то более экзотического. Вселенная, как всегда, оказывается куда более странной и удивительной, чем мы можем себе представить. И это, пожалуй, самое захватывающее в науке.