В 1971 году Стивен Хокинг предположил, что в центре Солнца может скрываться мини-черная дыра из ранней Вселенной. Его предложение было расширено в 1975 году Доном Клейтоном и соавторами, которые предположили, что энергия, генерируемая при падении материи на такую черную дыру, может объяснить наблюдаемый дефицит нейтрино с электронным ароматом от Солнца. 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 в Садбери (Канада), за которые 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? В конце концов, мы знаем, что 85 % материи во Вселенной невидимы. Первобытные черные дыры с массой, подобной массе астероидов в диапазоне размеров 1-100 километров, могли бы составлять темную материю. Если такова природа темной материи, то 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 звезд-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, которые захватили мини черную дыру. Из-за меньшей характерной скорости темной материи в карликовых галактиках большинство звезд, встроенных в сверхмалые карликовые галактики, такие как Тукана III и Триангулум 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 вещества на встроенный мини-черный карлик увеличится 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 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.
При таких обстоятельствах первозданную черную дыру можно рассматривать как семя, которое растет, поглощая звезду-хозяина, и превращает ее в черную дыру звездной массы. Этот канал может привести к образованию черных дыр с массой нейтронной звезды - результат, который не ожидается при нормальной астрофизической эволюции. В настоящее время обсерватория LIGO-Virgo-KAGRA идентифицирует компактные объекты как нейтронные звезды или черные дыры по их массе, определяемой по их гравитационно-волновому сигналу. 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 было написано в недавней работе, только что принятой к публикации в журнале 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 в субатомном масштабе. 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.