Незадовго до кінця 2023 року астрофізик Метт Каплан оголосив про випуск нової статті під досить дивною назвою: «Чи є чорна діра в центрі Сонця?», його попросили дати коротку відповідь, і, як ви могли очікувати, він сказав «скоріше ні». Але це ще далеко не кінець історії.
Хоча нове дослідження, наразі доступне для перегляду на arxiv, ще не пройшло рецензування, воно супроводжує статтю, опубліковану в The Astrophysical Journal Letters, яка на кінчиках пальців розглядає те саме дивне питання як засіб досягнення захоплюючої мети.
Суть усього цього полягає в тому, щоб надати гачок, який занурить вас в епічну теорію про невловиму природу темної матерії, можливо, найбільшої та найбільш заплутаної таємниці космосу нашого часу. Це речовина, яка в поєднанні зі своїм не менш дивовижним аналогом, темною енергією, становить понад 95% Всесвіту. Проте вони залишаються прихованими для людських очей. Протягом багатьох років вчені придумали чимало можливих пояснень темного Всесвіту, починаючи від дивних нових частинок і закінчуючи припущенням, що наша математика просто неправильна. Нічого не вийшло.
З цією метою Каплан є частиною команди, яка припускає, що частина темної матерії темного Всесвіту цілком може складатися не з частинок, як ми собі уявляємо, а натомість із величезної кількості чорних дір розміром з атом, утворених на зорі світанку. Всесвіт, кожен з яких приблизно такий же масивний, як типовий астероїд у нашій Сонячній системі.
«Я думаю, що всі кандидати на тему темної матерії просто трохи дикі», — сказав Каплан, який є доцентом фізики в Університеті штату Іллінойс. «Деякі припущення кращі за інші, і первинні чорні діри сприймаються серйозно. Я зайду так далеко, що скажу, що вони популярні».
Але щоб перетворити гіпотезу на факт, каже він, вчені повинні знайти одну з цих мініатюрних стародавніх пустот, що підводить нас до нової розмови про чорну діру та сонце. Потенційно, Каплан і його співавтори кажуть у своїх статтях, що деякі з цих надмалих чорних дір могли потрапити в хмари пилу в розпал формування зірок. Потенційно вони могли опинитися буквально в цих можливих блискучих океанах плазми. Потенційно вони все ще можуть бути там.
Отже, ні, в центрі нашої зірки, ймовірно, немає чорної діри, але можуть бути інші зірки, що мчать у космосі з чорними дірами, які справді застрягли в їхніх серцях.
Телефонний дзвінок, з якого все почалося
Зрозуміло, що під час пандемії COVID-19 астрономія зіткнулася з безліччю перешкод, які призвели до багатьох затримок, але також до багатьох інновацій.
«Я подружився з Ерлом Балленджером, який є астросейсмологом», – сказав Каплан. «У нас був просто звичайний дослідницький дзвінок, ми говорили про зірки, як це роблять люди. І він просто згадав таке ненавмисне зауваження. Він сказав: «Я завжди думав, що буде цікаво поставити чорну діру в центрі цих симуляцій, просто щоб побачити, що відбувається».
І коли Балленджер закінчив свою заяву словами «Але для цього немає причин», Каплан пригадує, що виправив його словами «Ні, насправді, це тестовий кандидат у темну матерію».
Каплан сказав, що він уже розглядав можливість проведення випробувань теорії первісної чорної діри розміром з атом у Сонячній системі, особливо тому, що якщо ці теоретичні явища існують, вони будуть настільки малими за масою, що, ймовірно, їх буде ціла купа. Можна очікувати, що деякі з них у будь-який час перетинатимуть наш куточок космосу, і насправді він раніше написав дослідницьку статтю про те, що станеться, якби одна з цих чорних дір врізалася в Місяць або навіть Землю.
Однак Каплан сказав, що він, очевидно, знав, що було б божевіллям, якби сонце захопило один. Крім того, він вважає, що ймовірність того, що чорна діра розміром з атом коли-небудь застрягла в будь-якій із зірок у всьому Чумацькому Шляху, є досить низькою.
«Чим масивніша галактика або середовище, тим швидше все рухається; сильніша гравітація означає, що речі рухаються швидше», — сказав він.
Це означає, що в таких середовищах, як Чумацький Шлях, які є дуже масивними та містять багато темної матерії, темна матерія буде переміщуватися надшвидко. Отже, якщо темна матерія складається з запропонованих міні-чорних дір, ці чорні діри повинні рухатися дуже швидко в тандемі. Це малоймовірно, щоб вони були захоплені об’єктами. Однак в інших середовищах, наприклад у карликових галактиках або кульових скупченнях, які менш масивні, темна матерія рухається в середньому набагато повільніше.
«Вам може пощастити, що кілька шматочків темної матерії або, в даному випадку, інколи, первісної чорної діри, будуть захоплені хмарою, що утворює зірки, стануть гравітаційно зв’язаними з нею та опустяться до ядра, коли зірка еволюціонує» – він сказав.
І це саме те, що вчені кажуть, що вони збираються шукати далі: зірки в карликових галактиках, які можуть демонструвати докази чорної діри в їхніх руках.
Він і Беллінджер називають їх «зірками Гокінга», тому що Стівен Гокінг написав основоположну статтю про первісні чорні діри. Неймовірно, але Гокінг припустив, що в свою першу секунду ранній Всесвіт, ймовірно, був достатньо щільним і хаотичним, щоб породити тонну цих дивних об’єктів. Крім того, що важливо для нової теорії, Хокінг також зазначив, що ці чорні діри можуть мати будь-яку масу.
Гокінг навіть заходить так далеко, що каже, що такі чорні діри вартістю астероїда можуть бути захоплені зірками, з’їдаючи їх зсередини.
«Оскільки він начебто запропонував це в оригінальній статті, — сказав Каплан, — і це начебто у виносках, які більшість людей ігнорує, коли вони виконують цю роботу, ми вирішили назвати це на його честь».
Нарешті, ось поточний план пошуку однієї з цих стародавніх шпилькових пустот.
Полювання на теоретичних гігантів
Хоча це створило б чудовий «Інтерстеллар: Частина 2», ні, зірка з якорем чорної діри не виглядала б як якась вогняна космічна аномалія, що спотворює час. Насправді це виглядало б досить нормально.
«Ваша інтуїція полягає в тому, що зірку поглинуть, як у CGI-послідовності», — зауважив Каплан. «Але коли ви займаєтесь наукою та використовуєте відповідні моделі того, як чорні діри харчуються, і наскільки яскраві чорні діри, оскільки вони виробляють усе це випромінювання, яке відштовхує їх від навколишнього середовища, насправді їм можуть знадобитися мільярди років».
Тож, що б ми шукали, якби не зірку, що розгубилася? Ну, щоб дати вам ще одну коротку відповідь, Каплан каже, що ключем є пошук пухких, тьмяних червоних гігантів (звичайно, у менших галактиках).
«Коли чорна діра стає яскравішою, це може призвести до того, що зірка матиме справді дивну гігантську фазу, — сказав він, — яка відрізняється від стандартних фаз червоних гігантів, що може виділити їх, якщо їх шукати».
Бенкети чорної діри та сила зірок
Загалом, анатомію чорної діри (будь-якого розміру) можна розбити на три основні компоненти. По-перше, у вас є сингулярність, яка є невидимою точкою в точному центрі чорної діри, в яку стиснена вся матерія. Ось чому чорна діра може бути такою масивною, але такою фізично маленькою. По-друге, у вас є горизонт подій, який схожий на кільце навколо сингулярності, що представляє бар’єр між нашим Всесвітом і всім, що всередині. Світло не може пройти за горизонт подій. Це все дуже загадково.
По-третє, ключове для нового дослідження, це акреційний диск. Це петля матерії, яка обертається навколо всього тіла, наповненого газом і пилом.
З іншого боку, зоряний синтез означає, як живляться зірки. Зірки відчувають власний процес ядерного синтезу, за допомогою якого вони перетворюють легкі атоми водню на важчі атоми гелію, що генерує поштовх назовні, щоб нівелювати внутрішнє тяжіння їх власної гравітації. Цей процес також сприяє їх яскравості; воно продовжується, коли зірка досягає кінця свого життя і перетворюється на червоного гіганта. Згодом реакції синтезу припиняються, і гравітація зірки перемагає. У гігантських зірках наступним кроком є вибух наднової зірки, який може призвести до появи чорної діри «нормального розміру» або нейтронної зірки. Нейтронні зірки надщільні й самі по собі надзвичайно захоплюючі, але це інша історія.
У всякому разі, ми знаємо про звичайних червоних гігантів, але якщо зірка, у якій є внутрішня чорна діра, перейде у фазу червоного гіганта, Каплан стверджує, що станеться щось цікаве.
«Гігантська фаза працює не на термоядерному синтезі, а на акреції», — сказав він. «Терметичний синтез фактично припиняється, і він стає такою великою пухкою хмарою, що обертається навколо цієї справді маленької чорної діри, яка на цьому етапі має масу Землі».
Це зробило б захоплену чорну діру приблизно мільйонною часткою маси зірки Хокінга, яка її містить, але все ще з матеріалом, який становить приблизно одну сонячну масу навколо неї. Це повністю змінює внутрішню структуру зірки.
«Якщо чорна діра досить мала і має досить малу масу, вона буде рости настільки повільно, що зірка зможе прожити весь вік Всесвіту без змін», — додав він. «Якщо це масивніша чорна діра, значить, масивні чорні діри мають більші горизонти подій».
Іншими словами, ці масивні чорні діри могли б швидше збільшуватися та рости швидше. Тому вчені вважають, що більші чорні діри можуть вбити свої зірки протягом кількох мільярдів років.
Щодо того, чому червоний гігант, що працює на акреції, буде тьмянішим, ніж звичайний червоний гігант, це просто тому, що потужність термоядерного синтезу призводить до більшої яскравості, ніж сила акреції в зірках.
«Це частина історії про надслабкі карликові галактики», — сказав він. «Чому ці карликові галактики такі тьмяні? І чому в них, здається, так багато темної матерії?».
Однак це не означає, що аккреційна потужність не має сенсу. Це, мабуть, більш вражаюче, тому що чорна діра, що збільшувалася колись розміром з атом, могла збільшити яскравість зірки настільки високо, щоб наблизитися до екстремальної яскравості за рахунок термоядерного синтезу.
«Ерл переглянув деякі дослідження, і він знайшов близько 500 з них, які були б хорошими цілями для спостереження», — сказав Каплан про цілі червоних карликів. «У нас є кілька сотень кандидатів, яких ми сподіваємося детально розглянути за допомогою астеросейсмології наступного року».
І якщо вам цікаво, наскільки плідною може бути ця майбутня спроба знайти замасковані у червоних гігантів зірки, що бродять у Всесвіті з чорними дірами розміром з атом у їхніх ядрах, то варто було б розглянути дві речі.
По-перше, теорія про те, що темна матерія може захоплюватися космічними тілами в цілому, насправді не є такою суперечливою. Наприклад, вчені, які працюють з об’єктом IceCube, розташованим на Південному полюсі, шукають докази сигналів темної матерії, що надходять із Землі. З іншого боку, пошуки темної матерії — це буквально постріл у темряву.
Цілком можливо, що правда – це просто рій порожнеч, який усіяв всесвіт і застряг усередині зірок.
«Я не здивуюся, якщо їх не існує, — сказав Каплан, — але я також не здивався б, якби вони існували».