Един от основните нерешени проблеми в съвременната физика остава природата на тъмната материя. Тя представлява около една четвърт от масата на Вселената, но все още не знаем от какво е съставена. Сред многото хипотези една се откроява: тъмната материя може да се състои не от нови елементарни частици, а от първични черни дупки. Тези обекти са възникнали в първите части от секундата след Големия взрив поради силни колебания в плътността на ранната Вселена.
Поглъщането на черна дупка
Първичните черни дупки могат да имат широк диапазон от размери. Астрофизиците обаче са особено заинтересовани от диапазона на масите, сравним с този на големите астероиди. Черните дупки с тази маса са физически изключително малки - размерът им е по-малък от радиуса на един атом. Поради тази причина те са неоткриваеми чрез стандартни астрономически методи. Те обаче би трябвало да се сблъскват с обикновени звезди.
Когато звезда улови такава черна дупка, последната ще се свие в центъра си. Полученият обект се нарича „звезда на Хокинг“. Международен екип от физици публикува проучване, в което за първи път подробно се описва целият жизнен цикъл на такива системи – от момента на улавянето до неизбежната гибел на звездата.
Физическите процеси, протичащи вътре в звезда на Хокинг, показват, че наличието на черна дупка напълно променя крайния резултат от живота на звездата. Вместо обичайното постепенно охлаждане, звездата или бавно изчезва, или експлодира отвътре в рамките на минути.
Черна дупка колкото 17 милиона слънца се събуди
Механизъм за улавяне: Защо е необходима гигантска планета
Директен сблъсък между черна дупка, летяща от космоса, и звезда рядко води до нейното улавяне. Първичните черни дупки пътуват през космоса със скорости от стотици километри в секунда. Плътността на звездата е висока, но съпротивлението от триенето със звездния газ по време на еднократно преминаване е твърде слабо. Черната дупка просто ще премине през звездата и ще продължи по пътя си.
За да остане една черна дупка в рамките на звездна система, три тела трябва да взаимодействат гравитационно. Този процес трябва да включва: самата звезда, преминаваща черна дупка и голям спътник на звезда (например гигантска планета като Юпитер или втората звезда в двойна система).
Етапите на улавяне на черна дупка включват следните стъпки:
- Стъпка 1: Свободна черна дупка се приближава към звездна система.
- Стъпка 2: Приближаване до гигантската планета и обмен на гравитационна енергия.
- Стъпка 3: Черната дупка навлиза в удължена орбита и постепенно забавя скоростта си, докато преминава през звездата.
- Стъпка 4: Черната дупка най-накрая се срива в ядрото на звездата.
Когато черна дупка преминава покрай гигантска планета, тя предава част от кинетичната си енергия на нея. Това води до намаляване на скоростта на дупката, задържайки я в удължена, елиптична орбита, която пресича физическото тяло на звездата.
С всяка нова орбита, черната дупка преминава през плътен звезден газ, като постепенно губи скорост поради триене. В крайна сметка, орбитата ѝ се свива до такава степен, че черната дупка най-накрая се озовава в самия център на звездното ядро.
Черна дупка може да експлодира през следващите 10 години: Има ли заплаха?
Според изчисленията, за да завърши този процес на улавяне и последващо установяване в рамките на жизнения цикъл на звезда от слънчев тип, масата на черната дупка в момента на улавянето трябва да бъде поне 10 грама (около една трета от масата на Луната). По-леките обекти просто няма да имат време да потънат в ядрото, преди звездата да завърши жизнения си цикъл.
След като черната дупка се установи в централна позиция в центъра на звездното ядро, започва нейната фаза на растеж. Физиката на този процес в началния етап е описана от модела на Бонди за акреция на сферично падане на газ.
Въпреки местоположението на черната дупка в област с ултрависоко налягане и плътност, скоростта, с която тя абсорбира материята, остава бавна. Това се дължи на микроскопичния размер на хоризонта на събитията на черна дупка с маса на астероид. Газът пада върху нея почти равномерно от всички посоки.
Ключова характеристика на този етап е изключително ниската радиационна ефективност. Когато материята падне в черната дупка, се освобождава енергия, но плътността на входящия поток е толкова висока, че излъчените фотони нямат време да избягат. Те се отвеждат обратно отвъд хоризонта на събитията от газовия поток.
В резултат на това, топлинното влияние на черната дупка върху ядрото на звездата е минимално. Звездата продължава да генерира енергия чрез обичайните термоядрени реакции на синтез на хелий от водород. Външен наблюдател няма да може да открие никакви аномалии в яркостта или температурата на звездата. В този режим системата може да съществува стабилно в продължение на стотици милиони години, докато масата на черната дупка постепенно се увеличава.
С увеличаване на масата на черната дупка, нейното гравитационно привличане се увеличава. Ситуацията се променя драстично, когато въртенето на звездата пречи на процеса на поглъщане.
Всяка реална звезда се върти около оста си. Следователно, намиращият се в ядрото газ, също притежава ъглов момент. В ранните етапи, когато черната дупка е малка, това въртене практически няма ефект върху падането на този газ. Но когато масата на черната дупка достигне определена граница, центробежната сила започва да пречи на материята да пада радиално. В резултат на това се образува плосък, въртящ се акреционен диск.
Появата на акреционен диск променя цялата физика на процеса. Именно в този момент еволюцията на звезда на Хокинг се разделя на два противоположни сценария.
Сценарий 1: Тихо затихване. Ако звездата първоначално се е въртяла бавно или е загубила ъглов момент по време на живота си, скоростта на въртене на газа в ядрото ще бъде недостатъчна, за да създаде стабилен акреционен диск. Материята ще продължи да пада директно в черната дупка.
В този случай, черната дупка бавно и непрекъснато ще абсорбира масата на звездата. С намаляването на количеството водород, термоядрените реакции в ядрото ще започнат да отслабват. Външните слоеве на звездата постепенно ще се срутват под гравитацията на нарастващия център. Този процес протича без никакви ярки изблици. Звездата просто постепенно се свива по размер и потъмнява. В крайна сметка на нейно място остава самотна черна дупка с маса, приблизително равна на тази на оригиналната звезда.
Сценарий 2: Експлозивно унищожение. Ако скоростта на въртене на звездата е достатъчна, образуването на акреционен диск става неизбежно. Въртенето на диска, комбинирано с бързото въртене на самата черна дупка, води до рязко увеличение на ефективността на освобождаване на енергия.
В плътния въртящ се диск възникват мощни магнитни полета. Бързото въртене на черната дупка усуква тези полета в твърди спирали по оста на въртене. Това задейства електродинамичния механизъм на Бланфорд-Знаек: черната дупка започва да освобождава ротационна енергия, образувайки силно фокусирани потоци от плазма и радиация – релативистични струи.
Рекорд: Квазарният вятър достигна 30% от скоростта на светлината близо до свръхмасивна черна дупка
