Темная сторона черных дыр

Черные дыры с массой в миллиард масс Солнца и даже больше находятся в центрах многих галактик и управляют их вращением и эволюцией. Они не редкость в нашу эпоху, спустя 14 млрд лет после Большого взрыва, но в молодой Вселенной таких сверхмассивных черных дыр было мало, по крайней мере так предполагали. Обнаружение сверхмассивных черных дыр в эпоху, когда Вселенной было менее 1 млрд лет, озадачило ученых, поскольку современная теория эволюции звезд говорит, что для роста таких гигантов требуется много времени. Но, возможно, эту загадку поможет решить таинственная субстанция — темная материя.
Проблема молодых сверхмассивных черных дыр всплыла в 2003 г., когда около полудюжины их обнаружилось в Слоановском цифровом обзоре неба. Согласно общепринятому взгляду, первые нормальные звезды родились, когда Вселенной было около 200 млн лет; но, если учитывать ее состояние в ту эпоху, из этих звезд могли получиться черные дыры с массами не более 100 солнечных. Оставалось слишком мало времени, чтобы к возрасту 1 млрд лет они успели слиться в монстры с массами в миллиард солнечных, замеченные в Слоановском обзоре.
Возможно, эту загадку поможет решить темная материя, считают физик-теоретик Кэтрин Фриз (Katherine Freese) из Мичиганского университета в Анн-Арборе и ее коллеги. Невидимая, но проявляющая себя через гравитацию, эта субстанция составляет не менее 80% материи Вселенной (и около четверти всей Вселенной). Но ученые не знают точно, из чего она состоит. Среди вероятных гипотетических кандидатов — слабо взаимодействующие массивные частицы под названием нейтралино. Сталкиваясь друг с другом, они могут аннигилировать, выделяя тепло, гамма-лучи, нейтрино и частицы антивещества, такие как позитроны и антипротоны.
Фриз и ее соавторы вычислили, что когда Вселенной было от 80 до 100 млн лет, протозвездные газовые облака, охлаждаясь и сжимаясь, могли своим притяжением втягивать в себя нейтралино, которые аннигилировали, выделяли энергию, и так могли возникнуть первые звезды. Эти объекты, прозванные «темными звездами», питались темной материей, а не ядерной энергией, как обычные звезды.
Расчеты показывают, что рядом с темными звездами нормальные светила показались бы пигмеями. Обычным звездам требуется высокая плотность, чтобы заставить атомные ядра вступить в реакцию ядерного синтеза, но темным звездам такая плотность не нужна, поэтому наиболее крупные из них могут в 200 тыс. раз превосходить размером Солнце. Ученые оценили, что низкая температура поверхности темных звезд могла бы позволить им вырасти до массы в 1000 раз больше солнечной, тогда как предел для нынешних звезд — около 150 масс Солнца.
В статье, подготовленной для Astrophysical Journal, Фриз и ее коллеги показывают, что темные звезды могли бы вырастать до 100 тыс. масс Солнца и даже более к тому моменту, когда они израсходуют топливо и сколлапсируют. Проанализировав, насколько интенсивно нейтралино могут втягиваться в темные звезды и захватываться там атомами, они пришли к выводу, что частицы темной материи могли бы поддерживать рост темных звезд намного дольше, чем казалось ранее.
Израсходовав запас темной материи, сверхмассивная темная звезда должна сжаться до состояния нормальной звезды, в ее недрах начнутся термоядерные реакции, и она будет светить около 1 млн лет. Но в конце жизни такие звезды не будут взрываться как сверхновые. «Они слишком массивны для этого», — говорит Фриз. Поэтому они будут непосредственно коллапсировать в черные дыры той же массы. Некоторые из них будут сливаться вместе, и через 1 млрд лет после Большого взрыва возникнут гигантские черные дыры.
Сверхмассивные темные звезды могут сиять в миллиард раз ярче Солнца, но, имея такую же температуру поверхности, будут светиться таким же желтым светом. Фриз надеется, что космический телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого планируется на 2014 г., будет способен заглянуть в такую даль, где он сможет увидеть эти рыхлые гиганты. В наше время темные звезды скорее всего не формируются, поскольку плотность темной материи сейчас в среднем в 8 тыс. раз ниже, чем в эпоху их активного формирования, когда Вселенная было намного компактнее.
Но не все верят в реальность темных звезд. Астрофизик Брайан О'Ши (Brian O'Shea) из Мичиганского университета заявляет, что эта идея основана на слишком вольных предположениях о свойствах темной материи. Например, если она в действительности состоит из других теоретически возможных частиц, называемых невидимыми аксионами, которые не аннигилируют друг с другом, то темные звезды не образуются.
Однако астрофизик Пол Шапиро (Paul R. Shapiro) из Техасского университета в Остине считает темные звезды «обоснованным следствием вполне разумной модели для темной материи». И если ученые действительно найдут темные звезды, то это поможет не только понять происхождение сверхмассивных черных дыр, но и узнать, из чего состоит темная материя. «Если темные звезды действительно существуют, — замечает О'Ши, — они должны быть невероятно холодными».

Чарлз Чой