Имеет ли Солнце в своем центре черную дыру?

В то время этот дефицит был известен как проблема солнечных нейтрино, сформулированная в расчетах моего раннего наставника Джона Бахколла. Наличие второго источника энергии в дополнение к ядерному синтезу естественным образом уменьшило бы производство солнечных нейтрино в результате ядерных реакций и объяснило бы дефицит нейтрино. К настоящему времени более точные количественные данные нейтринной обсерватории Садбери в Канаде, за которую в 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена Арту Макдональду, предполагают иное решение проблемы солнечных нейтрино, связанное с трансформацией ароматов нейтрино внутри Солнца.

Тем не менее, может ли Солнце по-прежнему содержать в своем чреве первозданную черную дыру, которая не вносит большого вклада в его светимость? Ведь мы знаем, что 85 % материи во Вселенной невидимы. Первобытные черные дыры с массой, похожей на массу астероидов в диапазоне размеров 1-100 километров, могли бы быть причиной появления темной материи. Если такова природа темной материи, возможно ли, что некоторые звезды захватили в свое чрево первобытную черную дыру? Если да, то какова будет их судьба?

Проще ответить на второй вопрос. Черная дыра, захваченная звездой, может изменить ее эволюцию и внутреннюю структуру. Внутреннее строение звезд можно диагностировать по их колебаниям, подобно тому как сейсмические сигналы используются для изучения внутреннего строения Земли. В будущем можно будет искать необычную эволюцию и внутреннюю структуру звездных хозяев мини-черных дыр.

Учитывая высокую скорость движения темной материи в Млечном Пути, вероятность того, что Солнце захватила первозданная черная дыра, составляет один к десяти миллионам. Тем не менее, учитывая сотни миллиардов звезд галактики Млечный Путь, все еще могут существовать десятки тысяч звезд Млечного Пути, захвативших мини черную дыру. Из-за меньшей характерной скорости темной материи в карликовых галактиках большинство звезд, встроенных в сверхмалые карликовые галактики, такие как Tucana III и Triangulum II, могли захватить мини черную дыру.

После расходования ядерного топлива ядра звезд, похожих на Солнце, сжимаются, превращаясь в белый карлик— металлический шар размером примерно с Землю. Поскольку радиус Земли в сто раз меньше радиуса Солнца, средняя плотность массы белых карликов примерно в миллион раз больше, чем у Солнца. Поэтому скорость аккреции материи на встроенный мини-черный карлик возрастет в миллион раз, что может привести к воспламенению белого карлика и взрыву сверхновой. Редкие взрывные переходные процессы нового типа можно будет искать в системе данных обсерватории Рубин, которая начнет работу в следующем году.

Эффект от мини-черной дыры будет еще более драматичным, если она окажется в ловушке в ядре массивной звезды, масса которой более чем в 8 раз превышает массу Солнца. Такое ядро, израсходовав свое ядерное топливо, разрушается и превращается в нейтронную звезду. Плотность нейтронной звезды напоминает плотность атомного ядра, в сто триллионов раз превышая среднюю плотность Солнца. В этом случае быстрая аккреция материи может превратить нейтронную звезду в черную дыру, на что я указывал в 2014 году в своей работе вместе с моим бывшим постдоком Паоло Пани, который сейчас является профессором в Италии.

При таких обстоятельствах первозданный черный дом можно рассматривать как семя, которое растет, чтобы поглотить звезду-хозяина и превратить ее в черную дыру звездной массы. Этот канал может привести к появлению черных дыр с массой нейтронной звезды — результат, который не ожидается при обычной астрофизической эволюции.

В настоящее время обсерватория LIGO-Virgo-KAGRA идентифицирует компактные объекты как нейтронные звезды или черные дыры по их массе, определяемой по сигналу гравитационных волн. Существование канала нейтронной звезды к черной дыре внесло бы путаницу в эту схему идентификации и привело бы к событиям, когда компактные объекты с массой нейтронной звезды обнаруживаются в гравитационных волнах, но не испускают электромагнитного излучения из-за отсутствия материи.

Как я указал в недавней статье, только что принятой к публикации в The Astrophysical Journal Letters, рост мини-черных дыр астероидной массы подавляется квантовой механикой. Это происходит потому, что размер их горизонта событий меньше размера атомов.

Если первозданные черные дыры составляют темную материю, то ближайшая черная дыра будет находиться внутри Солнечной системы. Наличие черной дыры рядом с домом открывает возможность экспериментального изучения квантовой гравитации. Согласно статье Хокинга 1974 года, черная дыра с горизонтом событий размером с протон будет спонтанно излучать энергию в 1 гигаватт, в основном в виде гамма-фотонов с энергией, в сто раз превышающей массу покоя электрона.

Если мы когда-нибудь станем свидетелями появления в Солнечной системе черной дыры массой с астероид, ее можно будет использовать в качестве испытательного стенда для квантово-гравитационных экспериментов на субатомном уровне. Ее понимание поможет нам разработать предсказательную теорию, объединяющую квантовую механику и гравитацию. Такая теория, в свою очередь, подскажет нам, что могло привести к Большому взрыву. А знание этого приблизит нас к пониманию наших космических корней.