Как темная материя взаимодействует с черными дырами?

Черные дыры — это, пожалуй, самые неописуемые объекты во Вселенной: концентрация такой массы, что она коллапсирует, как следует из общей теории относительности, до сингулярности в центре. Атомы, ядра и даже фундаментальные частицы сжимаются в бесконечно малую точку нашего трехмерного пространства. Все, что попадает в черную дыру, обречено оставаться в ней до скончания времен, захваченное ее гравитацией, которую не может покинуть даже свет. Какая судьба ждет темную материю при встрече с черной дырой?

Будет ли она засосана в сингулярность, как обычная материя, и внесет свой вклад в массу черной дыры? Если да, то когда черная дыра испарится вследствие излучения Хокинга, что будет с темной материей?

Начать стоит с того, что такое черные дыры.

Здесь, на Земле, если вы хотите отправить что-то в космос, вам нужно преодолеть гравитационное притяжение Земли. Для нашей планеты так называемая скорость убегания составляет порядка 11,2 км/с, ее можно развить с помощью достаточно мощной ракеты. Если бы мы были на поверхности Солнца, скорость убегания была бы намного больше, в 55 раз: 617,5 км/с. Когда наше Солнце умрет, оно сожмется до белого карлика, который по размерам будет с Землю, но по массе будет в два раза легче нынешнего Солнца. На нем скорость убегания будет порядка 4570 км/с, это около 1,5% скорости света.

Это важно, потому что вы концентрируете все больше и больше массы в конкретной области пространства, а скорость убегания для этого объекта все больше приближается к скорости света. И как только ваша скорость убегания на поверхности объекта достигнет или превысит скорость света, не только свет уже не сможет его покинуть — насколько мы понимаем материю, энергию, пространство и время сегодня — весь этот объект сожмется в сингулярность. Причина проста: все фундаментальные силы, включая силы, удерживающие атомы, протоны или даже кварки вместе, не могут двигаться быстрее скорости света. Поэтому если вы находитесь в определенной точке от центральной сингулярности и пытаетесь удержать удаленный объект от гравитационного коллапса, вы не сможете; коллапс неизбежен. И все, что вам нужно для преодоления этого барьера, это звезда в 20-40 массивнее Солнца.

Когда в ее ядре закончится топливо, центр взорвется под действием собственной гравитации, создав катастрофическую сверхновую, раздув и уничтожив внешние слои, но оставив черную дыру в центре. Такие черные дыры растут со временем, поглощая любую материю и энергию, которая подойдет слишком близко. Даже двигаясь со скоростью света вы можете попасть в нее и никогда уже не покинете горизонт событий. Из-за кривизны самого пространства внутри черной дыры вы также неизбежно попадете в сингулярность в центре. Когда это произойдет, вы просто прибавите черной дыре энергии.

Снаружи мы не можем сказать, из чего изначально состояла черная дыра — из протонов, электронов, нейтронов, темной материи или вообще антиматерии. Есть только три свойства (пока что), которые мы можем наблюдать о черной дыре снаружи: ее масса, ее электрический заряд и ее угловой момент, мера вращательного движения. Темная материя, насколько нам известно, не имеет электрического заряда, а также других квантовых характеристик (цветного заряда, барионное число, лептонное число и пр.), которые могут или не могут сохраниться, либо уничтожиться, исходя из информационного парадокса черной дыры.

Из-за того, как образуются черные дыры (вследствие взрывов сверхмассивных звезд), когда они впервые образуются, черные дыры на 100% состоят из обычной (барионной) материи и на 0% из темной материи. Не забывайте, что темная материя взаимодействует только гравитационно, в отличие от обычной материи, которая взаимодействует посредством гравитационных сил, слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. Да, в крупных галактиках и их скоплениях в пять раз больше темной материи, чем обычной материи, но она собирается в одно большое гало. В типичной галактике это гало темной материи простирается на несколько миллионов световых лет, сферически, во всех направлениях, тогда как обычная материя сконцентрирована в диске, который занимает 0,01% от объема темной материи.

Черные дыры, как правило, образуются внутри галактики, где обычная материя полностью преобладает над темной материей. Представьте себе область пространства, в которой мы находимся: вокруг нашего Солнца. Если мы нарисуем сферу в 100 а. е. (а. е. — это дистанция от Земли до Солнца) вокруг нашей Солнечной системы, мы заключим все планеты, луны, астероиды и весь пояс Койпера, но барионная масса — обычная материя — заключенная в нашей сфере, будет по большей части представлена Солнцем и весить около 2 х 10³⁰ кг. С другой стороны, общее количество темной материи в этой же сфере будет всего 1 х 10¹⁹ кг, или 0,0000000005% массы обычной материи в этом же самом регионе, равное массе скромного астероида размером с Юнону, приблизительно в 200 километров в поперечнике.

Со временем темная материя и обычная материя будут сталкиваться с этой черной дырой, абсорбироваться и прибавляться к ее массе. Больше всего рост массы будет поступать из обычной материи, а не темной, но в определенный момент, спустя много квадриллионов лет в будущем, скорость распада черной дыры наконец превзойдет скорость роста черной дыры. Процесс излучения Хокинга приведет к тому, что частицы и фотоны будут выходить из горизонта событий черной дыры, сохраняя всю энергию, заряд и угловой момент недр черной дыры. Этот процесс займет от 10⁶⁷ лет (для черной дыры солнечной массы) до 10¹⁰⁰ лет (для самых массивных черных дыр).

Это означает, что некоторая темная материя выйдет из черных дыр, но будет полностью отличаться от того объема темной материи, которая попала в черную дыру изначально. У всех черных дыр есть память о вещах, которые в нее попали, в виде небольшого набора квантовых чисел, а это количество темной материи в них не входит (помните, она не обладает всеми квантовыми характеристиками?). На выходе будет совсем не то, что было на входе.

Таким образом, темная материя является еще одним источником пищи для черных дыр, и далеко не самым лучшим. Более того, это совсем неинтересный источник пищи. Он не оказывает практически никакого влияния на черные дыры.