Может ли в центре Солнца скрываться чёрная дыра?

В 1971 году Стивен Хокинг высказал предположение о том, что в центре Солнца может находиться миниатюрная чёрная дыра, оставшаяся с ранних этапов эволюции Вселенной. В 1975 году его идею развили Дон Клейтон и его коллеги, выдвинув гипотезу, что энергия, образующаяся при падении материи на такую чёрную дыру, могла бы объяснить наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино электронного типа.

Этот дефицит, известный как проблема солнечных нейтрино, был выявлен на основе расчётов, проведённых моим первым наставником Джоном Бакколлом. Наличие второго источника энергии, помимо ядерного синтеза, естественным образом снизило бы выработку солнечных нейтрино в результате ядерных реакций, что, в свою очередь, объяснило бы наблюдаемый дефицит.

К настоящему времени более точные количественные данные, полученные в нейтринной обсерватории Садбери в Канаде, за которые Арт Макдональд в 2015 году получил Нобелевскую премию по физике, предлагают иное решение проблемы солнечных нейтрино, связанное с преобразованием типов нейтрино внутри Солнца.

Тем не менее, остаётся вопрос: может ли Солнце по-прежнему содержать в своих недрах первичную чёрную дыру, которая не сильно влияет на его светимость? Ведь известно, что 85% материи во Вселенной невидимы. Первичные чёрные дыры с массой, сравнимой с массой астероидов в диапазоне от 1 до 100 километров, могли бы составлять тёмную материю. Если такова природа тёмной материи, то возможно ли, что некоторые звёзды содержат в своих недрах первичные чёрные дыры? И если да, то какова будет их судьба?

Второй вопрос проще решить. Чёрная дыра, захваченная звездой, может изменить её эволюцию и внутреннюю структуру. Внутреннюю структуру звёзд можно диагностировать по их колебаниям, подобно тому, как сейсмические сигналы используются для изучения внутренней структуры Земли. Необычную эволюцию и внутреннюю структуру звёзд, в которых находятся мини-чёрные дыры, можно будет исследовать в будущем.

Учитывая высокую скорость тёмной материи в Млечном Пути, вероятность того, что Солнце захватило первичную чёрную дыру, составляет один к десяти миллионам. Тем не менее, учитывая сотни миллиардов звёзд в галактике Млечный Путь, в ней всё ещё могут быть десятки тысяч звёзд, захвативших мини-чёрные дыры. Из-за меньшей характерной скорости тёмной материи в карликовых галактиках большинство звёзд, находящихся в ультраслабых карликовых галактиках, таких как Тукана III и Треугольник II, могли захватить мини-чёрные дыры.

После того как ядерное топливо в звёздах, подобных Солнцу, заканчивается, ядро сжимается и превращается в белого карлика — металлическую сферу размером примерно с Землю. Поскольку радиус Земли в сто раз меньше радиуса Солнца, средняя плотность белых карликов примерно в миллион раз выше, чем у Солнца. Таким образом, скорость аккреции вещества на встроенную мини-чёрную дыру увеличится в миллион раз, что может зажечь белого карлика и вызвать взрыв сверхновой. В потоке данных обсерватории «Рубин», которая начнёт работу в следующем году, можно будет искать редкие взрывные явления нового типа.

Эффект от мини-чёрной дыры был бы ещё более впечатляющим, если бы она находилась в ядре массивной звезды, масса которой более чем в 8 раз превышает массу Солнца. Такое ядро коллапсирует и превращается в нейтронную звезду после того, как израсходует своё ядерное топливо. Плотность нейтронной звезды напоминает плотность атомного ядра и в сто триллионов раз превышает среднюю плотность Солнца. В таком случае быстрая аккреция вещества может превратить нейтронную звезду в чёрную дыру, как я указал в статье 2014 года, написанной в соавторстве с моим бывшим постдокторантом Паоло Пани, который в настоящее время является профессором в Италии.

При таких обстоятельствах изначальную чёрную дыру можно рассматривать как семя, которое растёт, поглощая звезду-хозяина и превращая её в чёрную дыру звёздной массы. Этот процесс может привести к образованию чёрных дыр с массой нейтронной звезды, что не ожидается при нормальной астрофизической эволюции.

В настоящее время обсерватория LIGO-Virgo-KAGRA классифицирует компактные объекты как нейтронные звёзды или чёрные дыры, основываясь на их массе, которую можно определить по сигналу гравитационных волн. Однако существует возможность, что нейтронная звезда может трансформироваться в чёрную дыру, что может создать путаницу в этой системе идентификации. В результате, иногда гравитационные волны обнаруживают компактные объекты, похожие на нейтронные звёзды, но без электромагнитного излучения из-за отсутствия материи.

В своей недавней статье, которая только что была принята к публикации в The Astrophysical Journal Letters, я утверждал, что рост мини-чёрных дыр размером с астероид подавляется квантовой механикой. Это связано с тем, что размер их горизонта событий меньше размера атомов.

Если тёмная материя действительно состоит из первичных чёрных дыр, то ближайшая из них находится внутри Солнечной системы. Наличие чёрной дыры рядом с нами открывает уникальную возможность для экспериментального изучения квантовой гравитации. Согласно статье Хокинга 1974 года, чёрная дыра с горизонтом событий размером с протон будет спонтанно излучать со скоростью 1 гигаватт, преимущественно в виде гамма-фотонов с энергией, в сто раз превышающей массу покоя электрона.

Если мы когда-нибудь обнаружим в Солнечной системе чёрную дыру размером с астероид, её можно будет использовать в качестве экспериментальной платформы для изучения квантово-гравитационных взаимодействий на субатомном уровне. Понимание этих процессов поможет нам разработать теорию, которая объединит квантовую механику и гравитацию. Эта теория, в свою очередь, позволит нам лучше понять, что могло привести к Большому взрыву, и приблизиться к разгадке наших космических корней.