Новое исследование предполагает, что тёмная материя может накапливаться в течение длительного времени в недрах планет размером с Юпитер, образуя чёрные дыры, которые пожирают эти миры изнутри. Эта поразительная концепция может означать, что внесолнечные планеты, или «экзопланеты», можно использовать для изучения тайн тёмной материи. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review D.
В этой новой модели сверхтяжёлые частицы тёмной материи могут захватываться экзопланетами, терять энергию и дрейфовать к ядру этой планеты. Оказавшись там, эти сверхтяжёлые частицы тёмной материи накапливаются, пока не коллапсируют, образуя чёрную дыру. Эта чёрная дыра затем жадно проедает свою планету-хозяина.
Однако эта новая теория тёмной материи/чёрных дыр не работает со всеми моделями чёрных дыр. Например, если частицы тёмной материи встречаются и аннигилируют друг с другом, как предполагают некоторые модели (как это происходит, когда электроны встречаются со своими античастицами, позитронами), то они не смогут собраться в количествах, необходимых для коллапса и рождения чёрной дыры.
Тёмная материя беспокоит учёных, поскольку, несмотря на то, что она составляет 85% «вещества» Вселенной, мы понятия не имеем, что это такое. Тот факт, что тёмная материя не взаимодействует со светом, означает, что она не может состоять из электронов, протонов и нейтронов, из которых состоят атомы, составляющие всё, что мы видим вокруг: обычную материю Вселенной — звёзды, планеты, луны, живые существа и так далее. Отсутствие взаимодействия с электромагнитным излучением также делает тёмную материю фактически невидимой. Эта загадка побудила учёных предложить множество различных типов частиц, которые могли бы быть причиной тёмной материи, многие из которых обладают разными свойствами.
Однако есть ещё один нюанс, связанный с рецептом тёмной материи, необходимым для реализации этого процесса. Составляющие её частицы должны обладать очень большими массами. Это исключает один из наиболее вероятных кандидатов на роль тёмной материи — аксион, гипотетический элемент с очень малой массой.
«Если частицы тёмной материи достаточно тяжёлые и не аннигилируют, они в конечном итоге могут коллапсировать в крошечную чёрную дыру», — заявил Мехрдад Форутан Мехр из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Если частицы тёмной материи достаточно тяжёлые и не аннигилируют, они в конечном итоге могут коллапсировать в крошечную чёрную дыру».
В настоящее время самые лёгкие из известных нам чёрных дыр — это так называемые чёрные дыры звёздной массы. Считается, что их масса составляет от 3 до 100 масс Солнца. Логика в этом здравая, поскольку такие чёрные дыры рождаются, когда массивные звёзды в конце своей жизни вырабатывают ядерное топливо. Когда взрыв сверхновой выбрасывает внешние слои этих звёзд, их звёздные ядра коллапсируют.
Это означает, что диапазон масс чёрных дыр звёздной массы определяется массами звёзд-прародительниц, которые их породили. Более того, нижняя граница массы определяется тем, что звёзды с массой менее 1,4 массы Солнца (величина, известная как предел Чандрасекара) не могут стать сверхновыми, а значит, не могут породить чёрную дыру или нейтронную звезду. Вместо этого эти звёзды оставляют после себя белый карлик.
Существует ещё один предел массы, который следует учитывать. Предел Толмена–Оппенгеймера–Волкова (TOV) разделяет звёздные ядра, порождающие чёрные дыры, и ядра, порождающие нейтронные звёзды. Хотя предел TOV менее определён, чем предел Чандрасекара, он предполагает, что после выброса большей части вещества звёздное ядро должно иметь массу как минимум в 2,2–2,9 раза превышающую массу Солнца, чтобы образовалась чёрная дыра.
Этот предел неясен, поскольку в настоящее время самая легкая черная дыра, которую мы обнаружили и подтвердили, имеет массу около 3,8 масс Солнца, в то время как самая тяжелая нейтронная звезда, когда-либо обнаруженная, весит 2,4 массы Солнца.
Эти чёрные дыры, пожирающие планеты, были бы гораздо меньше, чем даже самая лёгкая чёрная дыра звёздной массы, если бы они приняли массу поглощаемой ими планеты. Команда предполагает, что этот процесс может происходить внутри планет с массой, подобной массе Юпитера, масса которого составляет около 0,001 массы Солнца.
«На газообразных экзопланетах различных размеров, температур и плотностей чёрные дыры могут формироваться в наблюдаемые сроки, потенциально даже порождая несколько чёрных дыр за время существования одной экзопланеты», — сказал Форутан-Мер. «Эти результаты показывают, как исследования экзопланет могут быть использованы для поиска сверхтяжёлых частиц тёмной материи, особенно в регионах, предположительно богатых тёмной материей, таких как центр нашей Галактики Млечный Путь».
Конечно, помимо наблюдения за планетой, поглощаемой изнутри, путь создания черных дыр звездной массы и предел TOV означают, что обнаружение черной дыры с массой меньше солнечной может подтвердить теорию группы.
«Обнаружение чёрной дыры с массой планеты стало бы крупным прорывом», — сказал Форутан-Мер. «Если астрономы обнаружат популяцию чёрных дыр размером с планету, это могло бы стать убедительным доказательством в пользу модели сверхтяжёлой неаннигилирующей тёмной материи».
Эта новая теория в сочетании с растущим каталогом экзопланет, насчитывающим более 5000 миров за пределами Солнечной системы, означает, что эти планеты теперь можно добавить к небесным телам, которые предлагаются в качестве зондов темной материи.
Примером этого является предположение, что некоторые кандидаты на темную материю могут оказаться в ловушке нейтронных звезд, собираться и постепенно уничтожать друг друга, тем самым нагревая эти звездные остатки.
«Итак, если бы мы наблюдали старую и холодную нейтронную звезду, это могло бы исключить некоторые свойства темной материи, поскольку теоретически предполагается, что темная материя нагревает их», — сказал Форутан-Мер.
Темная материя, захваченная экзопланетами, также может вызывать нагревание внутри этих миров или заставлять их испускать высокоэнергетическое излучение.
«Современные приборы недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить эти сигналы. Будущие телескопы и космические миссии, возможно, смогут их уловить», — заключил Форутан-Мер. «По мере того, как мы продолжаем собирать больше данных и более детально изучать отдельные планеты, экзопланеты могут дать важную информацию о природе тёмной материи».
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/185440-temnaya-materiya-mozhet-sozdavat-chernye-dyry-kotorye-pozhirayut-ekzoplanety-iznutri
