Мы не знаем, существуют ли в реальности гипотетические первичные чёрные дыры (ПЧД). Теоретически они должны были образоваться в самой ранней Вселенной, когда законы физики были совсем другими. У них не было звёзд-предшественников, они возникли в результате прямого коллапса плотно спрессованной субатомной материи. Теоретики задаются вопросом, могут ли ПЧД быть тёмной материей или её компонентом.
Размеры этих гипотетических объектов остаются предметом споров, но, по некоторым оценкам, ПЧД находятся в диапазоне масс, сравнимых с астероидами, — они достаточно малы, чтобы их могли поглотить звёзды. Как это могло бы происходить и что произошло бы в результате со звёздами? Как это можно было бы обнаружить?
Новое исследование посвящено изучению этого вопроса. Оно озаглавлено «Жизнь и смерть звёзд, поглощающих первичные чёрные дыры» и доступно на сайте arxiv.org. Ведущим автором является Оре Готтлиб из факультета физики и Института астрофизики и космических исследований имени Кавли при Массачусетском технологическом институте (MIT).
Существуют различные точки зрения на массу ПЧД, в зависимости от того, каким образом они могут вносить вклад в тёмную материю. Согласно одним данным, их масса должна быть равна звёздной или превышать её, в то время как другие данные указывают на то, что она должна быть гораздо меньше. Между этими диапазонами находится промежуточный диапазон, в котором массы ПЧД могут варьироваться от размера астероида до размера Луны.
«Звёзды представляют собой качественно иной и дополняющий инструмент для исследования этого оставшегося пространства параметров», — пишут авторы. «Если ПЧД отвечают за значительную долю тёмной материи, их плотность в галактической среде будет намного выше, чем у чёрных дыр звёздного происхождения, что подразумевает частые близкие столкновения со звёздами, делая захват звёздными системами вполне вероятным исходом».
Готтлиб и его коллеги решили проверить эту идею. «Мы разработали первую глобальную концепцию эволюции звёзд, захватывающих ПЧД», — пишут они, добавляя, что их концепция включает модели звёздной эволюции и трёхмерные магнитогидродинамические симуляции.
Первое, что они обнаружили, — это то, что захват ПЧД звездой гораздо более вероятен в системе из трёх тел. «Мы обнаружили, что прямой захват ПЧД с массой от астероида до небольшого спутника за один проход за счёт динамического трения внутри звезды происходит крайне редко», — пишут они. «Напротив, взаимодействия трёх тел с планетными спутниками представляют собой реальный канал для захвата на связанные орбиты, пересекающие орбиту звезды, с последующим сближением посредством повторяющихся диссипативных прохождений через звезду».
Когда звезда захватывает ПЧД, та проникает в звёздное ядро. Оказавшись там, она аккрецирует вещество из недр звезды, что оказывает критическое влияние на эволюцию звезды. «Получающийся в результате объект, „звезда Хокинга“, представляет собой естественную лабораторию для изучения роста и обратной связи первичных чёрных дыр, погружённых в плотную вращающуюся среду», — объясняют авторы. То, что происходит после того, как первичная чёрная дыра достигает центра звезды, зависит от аккреции и обратной связи.
Существует два различных сценария развития событий после поглощения, и оба они заканчиваются гибелью звезды. В первом случае первичная чёрная дыра проникает в центр звезды и аккрецирует звёздную материю со скоростью, подобной скорости Бонди. Это приводит к образованию аккреционного диска и возникновению обратной связи, что обрекает звезду на гибель. В этом случае «дисковые ветры и релятивистские джеты могут разрушить звезду, вызвав взрывное переходное явление типа звезды Хокинга, питаемое быстро вращающейся первичной чёрной дырой», — поясняют авторы.
Если обратная связь сдерживает аккрецию диска, то звезда может находиться в квазистационарном состоянии, изменяя свою светимость, продолжительность жизни и внутреннюю структуру, не подвергаясь при этом быстрому разрушению. В результате, как пишут авторы, остаётся «чёрная дыра с массой, сравнимой с поглощённой звездой, и с незначительным или отсутствующим излучением, которое может питать аккреционный диск».
Всё дело в образовании диска, которое в значительной степени определяется угловым моментом. При превышении определённого порога аккреция ускоряется, и мощная обратная связь разрушает звезду. Если аккреция происходит медленно и стабильно, звезда Хокинга может выжить. «Образование диска — это точка невозврата», — пишут авторы. Когда ветры диска и релятивистские струи из него становятся достаточно мощными, они разрушают звезду в течение нескольких минут.
Это означает наличие двух ветвей развития: взрывной и тихого исчезновения. Эти два случая открывают разные возможности для наблюдений. «Наши результаты имеют важные последствия для наблюдений как в электромагнитном диапазоне, так и в диапазоне гравитационных волн», — пишут исследователи.
«Предполагается, что электромагнитный аналог взрывной ветви будет многокомпонентным», — поясняют авторы. Он будет характеризоваться рентгеновской вспышкой, за которой последует быстрый переходный процесс охлаждения в ультрафиолетовом и синем диапазонах, который может длиться до одного дня. Если возникнет релятивистский джет, он может создать сигнал, схожий с гамма-всплеском низкой светимости, продолжительностью около одной минуты. За этим последует синхротронное послесвечение. Это похоже на то, как могла бы выглядеть сверхновая, но авторы поясняют, что «эти взрывы не имеют общих предшественников, временных масштабов или радиоактивных хвостов, характерных для сверхновых с коллапсом ядра».
«Тихая» конечная ветвь потенциально генерирует гравитационные волны (ГВ). В то время как взрывная ветвь оставляет после себя маломассивную, быстро вращающуюся чёрную дыру, «тихая ветвь оставляет остаток с массой, сопоставимой с массой поглощённой звезды», — пишут исследователи. «Любое будущее обнаружение гравитационных волн от компактной двойной системы, содержащей субсолнечную или иную аномальную маломассивную чёрную дыру, станет ярким свидетельством нестандартного образования компактных объектов».
Остатки обеих ветвей являются ценными индикаторами существования ПЧД. «Их частота образования, окружающая среда и электромагнитные сигнатуры могут ограничить вклад ПЧД в тёмную материю», — пишут авторы. Системы, которые тихо поглощают звезду, оставляют после себя более массивные остатки, в то время как взрывные системы оставляют после себя быстро вращающиеся чёрные дыры с массой меньше солнечной.
Несмотря на то, что ветвь «тихого исчезновения» потенциально может генерировать гравитационные волны в будущем, это не самый перспективный способ их поиска, поскольку слияния, приводящие к их образованию, вряд ли будут частыми. «Поэтому ключевым наблюдаемым показателем является соотношение между звёздами Хокинга, которые заканчивают свою жизнь тихо, и теми, которые заканчивают её взрывом», — поясняют авторы, и это зависит от массы звезды, массы чёрной дыры, возраста захвата и структуры спутника.
Вокруг этой проблемы возникает множество вопросов, и авторы признают, что практически каждый этап описанного ими процесса может послужить основой для более конкретных исследований. Захват чёрной дыры, обратная связь внутри звёзд и всё остальное должны стать предметом отдельных исследований.
«В этом смысле настоящую работу следует рассматривать как дорожную карту: она выявляет ключевые узкие места и точки разветвления, которые определяют, умрут ли звёзды Хокинга спокойно, взорвутся ли они электромагнитно или оставят после себя компактные остатки с малой массой и быстрым вращением», — заключают авторы.