[Перевод] Спросите Итана: как тёмная материя взаимодействует с чёрными дырами?

Чёрные дыры – одни из самых экстремальных объектов Вселенной: концентрация массы настолько огромной, что та коллапсирует в сингулярность в её центре, в полном согласии с общей теорией относительности. Атомы, ядра и даже фундаментальные частицы сминаются до произвольно малой толщины в нашем трёхмерном пространстве. В то же время всё, что падает в неё, обречено никогда не появляться обратно, а просто дополнять её гравитационное притяжение. Что это означает для тёмной материи? Наш читатель спрашивает:

Как тёмная материя взаимодействует с чёрными дырами? Засасывает ли её в сингулярность, как обычную материю, и дополняет ли это массу чёрной дыры? Если так, что случается с ней после того, как чёрная дыра испаряется посредством излучения Хокинга?

Отличный вопрос, и начать следует с того, что же такое чёрные дыры.

У нас на Земле, чтобы отправить что-нибудь в космос, необходимо преодолеть гравитационное притяжение Земли. У нашей планеты то, что мы называем второй космической скоростью, равняется 11,2 км/с, и достичь её можно при помощи запусков мощных ракет. Если бы мы находились на поверхности Солнца, эта скорость была бы почти в 55 раз больше, то есть равна 617,5 км/с. После смерти наше Солнце сожмётся до белого карлика, масса которого примерно равна 50% текущей массы Солнца, а размер – размеру Земли. В этом случае вторая космическая скорость на его поверхности станет равна 4570 км/с, или 1,5% скорости света.

Сириус А и Б, нормальная звезда типа Солнца и белый карлик. Хотя белый карлик по массе гораздо меньше, его маленький, земной размер делает вторую космическую скорость намного большей.

Это важно, поскольку, чем больше массы вы собираете в одном участке пространства, тем ближе к световой скорость, необходимая для того, чтобы убежать от этого объекта. И когда эта скорость на поверхности объекта достигает или превышает скорость света, то тут уже не просто свет не может вырваться наружу, тут уже обязательно – на основании нашего понимания материи, энергии, пространства и времени – всё, находящееся внутри объекта, коллапсирует в сингулярность. Причина проста: все фундаментальные взаимодействия, включая силы, держащие атомы, протоны и даже кварки, не могут перемещаться быстрее света. Так что если вы находитесь где-то вне точки сингулярности и пытаетесь удержать находящийся чуть дальше объект против гравитационного коллапса, у вас ничего не выйдет; коллапс неизбежен. А для преодоления этого ограничения для начала вам потребуется звезда более массивная, чем 20-40 масс Солнца.

Массивная звезда в конце своей жизни, с её железным ядром, проваливающимся внутрь и формирующим чёрную дыру

Когда у неё в ядре заканчивается горючее, центр провалится внутрь под собственной гравитацией, и создаст катастрофическую сверхновую, сбрасывая и уничтожая внешние слои, и оставляя в центре чёрную дыру. Эти ЧД «звёздной массы», масса которых составляет порядка 10 солнечных, со временем вырастают, поглощая любую материю или энергию, отважившуюся слишком сильно приблизиться к ним. Даже если вы падаете в ЧД со скоростью света, вы не сможете выбраться. Из-за чрезвычайно сильной кривизны пространства внутри, вы неизбежно попадёте в сингулярность в центре. После этого вы просто добавите энергию ЧД.

Чёрная дыра поглощает аккреционный диск

Находясь снаружи нельзя сказать, была ли эта ЧД изначально сделана из протонов и электронов, нейтронов, тёмной материи или даже антиматерии. У ЧД можно измерить, насколько мы знаем, только три свойства: массу, электрический заряд и угловой момент, то есть, скорость её вращения. У тёмной материи, насколько мы знаем, нет ни электрического заряда, ни квантовых чисел (цветного заряда, барионного числа, лептонного числа, и т.п.), которые могли бы сохраниться или уничтожиться согласно парадоксу исчезновения информации в ЧД.

Из-за принципа формирования ЧД (из-за взрывов сверхмассивных звёзд), в первое время после их возникновения они практически на 100% состоят из нормальной (барионной) материи, и на 0% из тёмной материи. Вспомните, что тёмная материя взаимодействует только через гравитацию, в отличие от нормальной материи, взаимодействующей через гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Да, конечно, тёмной материи в крупных галактиках и скоплениях примерно в пять раз больше, чем нормальной, но это если суммировать вместе с гигантским галактическим гало. В обычной галактике это гало простирается на несколько миллионов световых лет, сферически, во всех направлениях, а нормальная материя концентрируется в диске, объёмом в 0,01% от тёмной материи.

Нормальная материя в центральном диске и тёмная материя в голубом гало типичной галактики

ЧД обычно формируются внутри галактики, где нормальная материя доминирует над обычной. Рассмотрим участок космоса, где расположены мы и наше Солнце. Если обвести его сферой радиусом в 100 а.е. вокруг Солнечной системы, мы включим все планеты, луны, астероиды и почти весь пояс Койпера, но барионная масса – нормальная материя – того, что будет внутри, будет в основном представлена массой Солнца и составит порядка 2 * 10³⁰ кг. С другой стороны, общее количество тёмной материи в этой сфере составит 1 * 10¹⁹ кг, то есть около 0,0000000005% массы нормальной материи того же участка, что примерно равно массе скромного астероида типа малой планеты Юнона, около 200 км в поперечнике.

Со временем тёмная материя и нормальная материя столкнутся с этой чёрной дырой, и она поглотит их, добавив к своей массе. Большая часть роста массы ЧД будет идти благодаря нормальной материи, а не тёмной материи, хотя, в какой-то момент, квадриллионы лет спустя, скорость распада ЧД всё же превысит скорость её роста. Излучение Хокинга приведёт к испусканию частиц и фотонов снаружи горизонта событий чёрной дыры, сохраняя всю энергию, заряд и угловой момент внутренностей ЧД. Этот процесс может занять от 10⁶⁷ лет (для ЧД массой с Солнце) до 10¹⁰⁰ лет (для самых массивных ЧД, массы которых в миллиарды раз больше солнечной), но в результате получится смесь всего, чего только возможно.

Это значит, что ЧД будут испускать и тёмную материю, но это совершенно не зависит от того, поглотила ли конкретная ЧД когда-то тёмную материю. ЧД помнит об упавшем в неё веществе только небольшой набор квантовых чисел, и количество тёмной материи, упавшей в неё, в этот набор не входит. Выходит из неё совсем не то, что входило!

Пример излучения Хокинга, покидающего ЧД из участков вблизи горизонта событий (только качественная иллюстрация!)

Так что, в итоге, тёмная материя – это всего лишь ещё один источник пищи для ЧД, и не очень-то хороший. Это даже не особенно интересный источник пищи. Результаты попадания в ЧД тёмной материи не отличались бы от результатов эксперимента, в котором вы бы светили в ЧД фонариком, а она поглощала бы ваши фотоны. Достаточно влить в неё, согласно уравнению E = mc², столько же энергии, сколько в неё упало тёмной материи в пересчёте на массу. В тёмной материи нет других зарядов, и поэтому, кроме углового момента, приобретаемого из-за падения не по центру ЧД (что и к фотонам тоже относится), никакого эффекта на ЧД она не окажет.