[Перевод] Спросите Итана №56: состоят ли чёрные дыры из тёмной материи?

Тёмной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но как это влияет на чёрные дыры?

Одного дня достаточно, чтобы мы выросли, или, наоборот, уменьшились.
— Пауль Клее

Хотите верьте, хотите – нет, но цитата подходит как к чёрным дырам, так и к людям. Иногда чёрная дыра может несказанно прирасти, а иногда – потерять больше массы-энергии, чем приобрела. На этой неделе статья посвящается вопросу Майкла Бута, который затрагивает не только этот аспект чёрных дыр, но и более тёмную их сторону:

Поскольку тёмная материя взаимодействует с барионной только через гравитацию, и поскольку тёмной материи существует в 5 раз больше, чем барионной, 5/6 чёрных дыр должны содержать тёмную материю. Сообщает ли нам эта информация что-либо полезное касательно чёрных дыр?

Отвечая на этот вопрос, нужно рассмотреть много аспектов, так что начнём мы с описания того, что такое чёрная дыра, и с того, что наша планета ею не является.

Если взять такую планету, как Земля, у неё есть огромное количество гравитационной энергии, удерживающее нас на поверхности. Чтобы убежать от гравитационного поля планеты, нам необходимо достичь огромных скоростей порядка 11 200 м/с. Гравитационное поле в фотосфере Солнца гораздо сильнее, там нужно двигаться со скоростью порядка 618 000 м/с, чтобы вырваться из его гравитационного поля. Это большие скорости, но достижимые.

Но если мы разместим достаточно массы в достаточно малом объёме пространства, скорость убегания может превысить 299 792 458 м/с, что равно скорости света в вакууме. А поскольку ничто не может перемещаться быстрее, ничто не сможет вырваться из такого гравитационного поля, даже свет. И мы получим чёрную дыру.

Снаружи нельзя сказать, создана ли изначально чёрная дыра из протонов и электронов, нейтронов, тёмной материи или даже антиматерии. Существует, насколько мы можем судить, всего три характеристики чёрной дыры, которые мы можем определить, наблюдая за ней: масса, электрический заряд и угловой момент, описывающий скорость её вращения. Поэтому, если нам нужно узнать, состоит ли изначально чёрная дыра из обычной, барионной, материи, или она состоит из тёмной материи, нам нужно посмотреть на:

Астрофиизку того, как формируются чёрные дыры;
Научную картину того, как они, единожды образовавшись, приобретают и теряют массу

Начнём с их происхождения.

Когда вы смотрите на молодой звёздный кластер в небе, вы, скорее всего, увидите набор из очень заметных голубых звёзд. Посмотрев поближе, вы бы обнаружили, что хотя эти звёзды самые горячие и яркие, они не являются представителями большинства. На каждого голубого гиганта приходятся сотни обычных звёзд, типа Солнца, или тусклее. Вообще, всего лишь 5% звёзд, которые когда-либо сформировались во Вселенной, больше и ярче нашей звезды!

Но именно самые большие, горячие и яркие звёзды имеют отношение к чёрным дырам, хотя они и самые редкие. Причина их яркости в том, что они сжигают своё ядерное топливо очень быстро. Звезда типа Солнца может жить 12 миллиардов лет до тех пор, пока не истратит всё горючее в ядре, но звезда в 10 раз массивнее проживёт лишь 0,1% от этого срока. Учтите, что самые массивные из известных нам звёзд в сотни раз массивнее Солнца, и представьте, насколько меньше эти гиганты живут.

Конечно, они могут сжечь и синтезированные ими элементы, они могут превратить гелий в углерод, затем углерод в кислород, неон и магний, затем кислород в кремний, а затем кремний в железо – и каждый раз ядро звезды будет сжиматься и разогреваться.

Именно эти процессы сгорания сдерживают звезду и не дают ей коллапсировать из-за гравитации, но железо – это последняя соломинка. После этого последнего шага уже не получить энергию из превращения железа во что-то более тяжёлое, поэтому ядро звезды коллапсирует. Ни атомы, ни ядра не могут сдержать гравитационные силы, и пока внешняя оболочка звезды красиво взрывается и превращается в сверхновую, внутренняя часть коллапсирует в чёрную дыру.

Поэтому сначала, когда они появляются, чёрные дыры на 100% состоят из нормальной, барионной материи, и на 0% из тёмной материи. Тёмная материя взаимодействует только через гравитацию, в отличие от обычной, которая взаимодействует через гравитацию, слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия. Всё это – сложный способ объяснить, что когда обычная материя взаимодействует с другой обычной, она может слипаться, комковаться, обмениваться импульсами и собирать ещё материю. Тёмная материя не комкуется ни с обычной материей, ни сама с собой. Поэтому, представляя галактики и кластеры, мы видим спиральные или эллиптические галактики, где обычная материя собрана в относительно небольшом объёме, но они включены в гало тёмной материи, которая простирается, возможно, на тысячи объёмов обычной.

Да, в крупных галактиках и кластерах тёмной материи, возможно, существует в пять раз больше, чем обычной. Но всё это считается только внутри всего огромного гало. В тех регионах космоса, о которых мы говорим, обычная материя преобладает над тёмной. Рассмотрим наш район около Солнца. Если мы нарисуем сферу радиусом в 100 а.е. (а.е. – расстояние от Земли до Солнца) вокруг Солнечной системы, мы включим в неё все планеты, луны, астероиды, почти весь пояс Койпера, но барионная масса (обычной материи) того, что будет внутри сферы, в основном будет принадлежать Солнцу, и составит порядка 2 * 10³⁰ кг. С другой стороны, масса тёмной материи в этой сфере составит 1 * 10¹⁹ кг – примерно 0,0000000005% от массы обычной.

Для сравнения, примерно столько массы сосредоточено в астероиде Джуно, который на картинке внизу идёт под номером «3», и нарисован на фоне Луны для сравнения.

Говорим ли мы об индивидуальных черных дырах, расположенных в тысячах световых лет от центров галактики, или сверхмассивных, получившихся из-за слияния множества чёрных дыр вблизи галактического ядра, все они начали своё существование с содержания примерно 100% обычной и 0% тёмной материи.

Но со временем они поглотили оба вида материи.

Несмотря на распространённое заблуждение, чёрные дыры не засасывают всё внутрь, они просто распространяют гравитационное притяжение. Тёмная материя, в иных условиях пролетевшая бы мимо, будучи затянутой гравитацией внутрь горизонта событий, будет съедена чёрной дырой, которая нарастит свою массу. Но обычная материя, оказавшаяся вблизи чёрной дыры, будет излучать волны, распадётся и потеряет импульс. Также она будет взаимодействовать с аккреционным диском, испытывать трение, терять импульс и увеличивать количество проглатываемой материи. Иначе говоря, даже когда обычная материя просто пролетает мимо, часть её съедается дырой – в случае с тёмной материей такого не происходит.

Если вам нужно вырастить чёрную дыру, проще всего будет посчитать пропорции съеденных ею обычной и тёмной материи, взяв пропорциональную плотность обычной и тёмной материи в этом регионе. Для нашего местоположения плотность обычной материи составляет 1,2 * 10²⁸ кг на кубический световой год, а плотность тёмной материи — 2,5 * 10²⁷ кг на кубический световой год, или 20% от обычной. Неплохо!

Нужно помнить, что мы находимся на периферии Млечного пути, а в центре галактики всё совсем не так.

Там содержится ещё больше тёмной материи, поскольку плотность гало тёмной материи должна увеличиваться по мере продвижения к центру галактики. Однако, увеличиваться она будет не так уж сильно. Тут очень много неопределённостей, но даже самое оптимичтичное увеличиние даст нам множитель в районе 10 000. С пессимистическим, или более изотермическим, множитель будет от 10 до 100. С другой стороны, плотность нормальной материи в галактическом центре в 50 миллионов раз больше, чем тут у нас. И хотя в нашем регионе вклад тёмной материи в чёрную дыру может достигать 16%, в галактическом центре это число может составлять не более, чем 0,004%.

Такая вот жестокая реальность:

• чёрные дыры формируются почти полностью из обычной материи, неважно, где это происходит
• те, что формируются в регионах с низкой плотностью материи – таких, как наш – будут иметь в составе приличную порцию тёмной материи, но в среднем, её вклад будет гораздо меньше, чем вклад обычной
• те, что формируются в регионах с высокой плотностью материи – таких, как центр галактики – сильно вырастут в массе, но 99,996% этой массы будет получено от обычной материи

Так что грустная правда в том, что тёмная материя – слишком малый компонент, участвующий в формировании чёрной дыры, чтобы на что-то влиять, и поэтому ничего особенного о ней мы не узнаем.

Для тех, кто интересуется потерей чёрными дырами массы: это происходит благодаря излучению Хокинга. И хотя оно однозначно происходит, оно идёт так медленно, что на этих временных отрезках им можно пренебречь. Чёрной дыре массой с Солнце потребовалось бы 10⁶⁷ лет для испарения, то есть, она теряет массы меньше одного электрона в год. Крупнейшим сверхмассивным чёрным дырам Вселенной потребовалось бы 10¹⁰⁰ лет для испарения, при этом они потеряют массу, сравнимую с электроном, когда пройдёт столько же времени, сколько прошло с начала существования Вселенной. Поэтому тем, кто надеется увидеть потерю массы, придётся ждать момента, когда Вселенная опустеет из-за тёмной энергии, и чёрные дыры окажутся вышвырнутыми из нашей галактики из-за гравитационных взаимодействий до того, как скорость уменьшения чёрных дыр сравняется со скоростью их роста из-за поглощения материи.

И вот вам ответ на вопрос, сделаны ли чёрные дыры из тёмной материи. Они могут состоять из неё максимум на 0,004%, и это самая оптимистичная оценка для самых массивных из них. Спасибо за отличный вопрос, Майкл, и те из вас, кто хочет задать вопрос для следующей колонке, могут присылать их мне!