Черные дыры - это области чрезвычайной гравитации, но темная материя почти не взаимодействует. Они хорошо играют вместе?
Черные дыры - одни из самых экстремальных объектов во Вселенной: единственные места, где в крошечном объеме пространства столько энергии, что создается горизонт событий. При их образовании атомы, ядра и даже сами элементарные частицы сжимаются до сколь угодно малого объема - в сингулярность - в нашем трехмерном пространстве. В то же время все, что падает за горизонт событий, навсегда обречено, просто усиливая гравитационное притяжение черной дыры. Что это означает для темной материи? Сторонник Патреона килобаг спрашивает:
Как темная материя взаимодействует с черными дырами? Втягивается ли она в сингулярность, как обычная материя, внося свой вклад в массу черной дыры? Если это так, то когда черная дыра испаряется из-за излучения Хокинга, что с [ней] происходит?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны начать с самого начала: с того, что на самом деле представляет собой черная дыра.

Здесь, на Земле, если вы хотите отправить что-то в космос, вам нужно преодолеть гравитационное притяжение Земли. Обычно мы думаем об этом с точки зрения баланса двух форм энергии: гравитационной потенциальной энергии, обеспечиваемой самой Землей на ее поверхности, по сравнению с кинетической энергией, которую вы должны добавить к своей полезной нагрузке, чтобы избежать гравитационного притяжения Земли..
Если вы сбалансируете эти энергии, вы сможете определить свою скорость убегания: как быстро вы должны будете заставить объект двигаться, чтобы в конечном итоге достичь сколь угодно большого расстояния от Земли. Несмотря на то, что у Земли есть атмосфера, обеспечивающая сопротивление этому движению и требующая от нас передачи еще большего количества энергии полезному грузу, чем предполагает скорость убегания, скорость убегания по-прежнему является полезной физической концепцией для нас.

Для нашей планеты эта расчетная скорость - или скорость убегания - составляет где-то около 25 000 миль в час (или 11,2 км/с), которую ракеты, которые мы разработали на Земле, действительно могут достичь. С 1960-х годов многоступенчатые ракеты запускали космические аппараты за пределы досягаемости земного притяжения, а с 1970-х - даже за пределы гравитационного поля Солнца. Но это все еще возможно только из-за того, как далеко мы находимся от поверхности Солнца в месте расположения орбиты Земли.
Если бы мы вместо этого находились на поверхности Солнца, скорость, которую нам нужно было бы достичь, чтобы избежать гравитационного притяжения Солнца - убегающая скорость - , была бы намного больше: примерно в 55 раз больше, или 617,5 км/с. Когда наше Солнце умрет, оно сожмется и превратится в белого карлика с массой около 50% нынешней массы Солнца, но только с физическим размером Земли. В этом случае его скорость убегания составит около 4,570 км/с, или около 1,5% скорости света.

Есть ценный урок в сравнении Солнца, каким оно является сегодня, с судьбой Солнца в далеком будущем как белого карлика. По мере того, как все больше и больше массы концентрируется в небольшой области пространства, скорость, необходимая для побега от этого объекта, возрастает. Если бы вы позволили этой плотности увеличиться, либо сжимая ее до меньшего объема, либо добавляя больше массы к тому же объему, ваша скорость убегания становилась бы все ближе и ближе к скорости света.
Это ключевое ограничение. Как только ваша скорость убегания на поверхности объекта достигает скорости света или превышает ее, свет не просто не может выйти наружу, это обязательно (в общей теории относительности), что все внутри этого объекта неизбежно схлопывается и/или падает в центральная особенность. Причина проста: сама ткань пространства падает к центральным областям быстрее скорости света. Ваш предел скорости меньше, чем скорость, с которой движется пространство под вашими ногами, и, следовательно, выхода нет.
Итак, если вы находитесь в какой-то точке от центральной сингулярности и пытаетесь удержать более удаленный объект от гравитационного коллапса, вы не сможете этого сделать; коллапс неизбежен. И самый распространенный способ преодолеть этот предел, во-первых, прост: просто начните со звезды, более массивной, чем примерно в 20-40 раз больше массы нашего Солнца.
Как и все настоящие звезды, она живет своей жизнью, сжигая ядерное топливо в своем ядре. Когда это топливо израсходуется, центр взрывается под действием собственной гравитации, вызывая катастрофический взрыв сверхновой. Внешние слои выбрасываются, но центральная область, будучи достаточно массивной, схлопывается в черную дыру. Эти черные дыры «звездной массы», охватывающие приблизительный диапазон от 8 до 40 солнечных масс, будут расти со временем, поскольку они поглощают любую материю или энергию, которые осмеливаются подойти слишком близко. Даже если вы будете двигаться со скоростью света, пересекая горизонт событий, вы уже никогда не выберетесь оттуда.

На самом деле, как только вы пересечете горизонт событий, вы неизбежно столкнетесь с центральной сингулярностью. А с точки зрения стороннего наблюдателя, когда вы пересекаете границу горизонта событий, все, что вы делаете, - это добавляете массу, энергию, заряд и угловой момент черной дыры.
Находясь вне черной дыры, мы не можем получить информацию о том, из чего она изначально состояла. (Нейтральная) черная дыра, состоящая из протонов и электронов, нейтронов, темной материи или даже антиматерии, выглядела бы одинаково. На самом деле есть только три свойства черной дыры, которые мы можем наблюдать извне:
- его масса,
- его электрический заряд,
- и его угловой момент (или собственный вращательный спин).

Темная материя, хотя мы и знаем, что это такое, известна тем, что имеет массу, но не электрический заряд. Угловой момент, который она добавляет черной дыре, полностью зависит от ее начальной траектории падения. Если бы вас интересовали другие квантовые числа - например, потому что вы думали об информационном парадоксе черной дыры - вы были бы огорчены, узнав, что у темной материи их нет.
Темная материя не имеет цветового заряда, барионного числа, лептонного числа, числа семейства лептонов и т. д. А поскольку черные дыры образуются в результате гибели сверхмассивных звезд (т. новообразованной черной дыры всегда состоит примерно из 100% нормальной материи и 0% темной материи. Несмотря на то, что нет однозначного способа сказать, из чего состоят черные дыры, исходя только извне, мы стали свидетелями непосредственного формирования черной дыры из звезды-прародителя; никакой темной материи не было.

Есть веская причина полагать, что темная материя не играет роли в первоначальном формировании черных дыр, но будет играть роль в их росте с течением времени: судя по тому, как она это делает и не взаимодействует.
Помните, что темная материя взаимодействует только гравитационно, в отличие от обычной материи, которая взаимодействует посредством гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных сил. Да, в больших галактиках и скоплениях всего темной материи, возможно, в пять раз больше, чем обычной материи, но это суммируется по всему огромному гало. В типичной галактике этот ореол темной материи простирается на миллион световых лет и более, сферически во всех направлениях. Сравните это с нормальной материей, которая сконцентрирована в диске, занимающем всего 0,01% объема темной материи.

Черные дыры имеют тенденцию образовываться во внутренних областях галактики, где нормальная материя преобладает над темной материей. Рассмотрим только область пространства, в которой мы находимся: вокруг нашего Солнца. Если бы мы нарисовали сферу радиусом 100 а. е. (где одна а. е. - расстояние от Земли до Солнца) вокруг нашей Солнечной системы, мы охватили бы все планеты, луны, астероиды и почти весь пояс Койпера. Мы также поместили бы в этот объем изрядное количество темной материи.
Количественно, однако, барионная масса - нормальная материя - внутри этой сферы будет доминировать над нашим Солнцем и будет весить около 2 × 10³⁰ кг. (Все остальное, вместе взятое, добавляет еще 0,2% к этой сумме.) С другой стороны, общее количество темной материи в той же сфере? Только около 1 × 10¹⁹ кг, или всего 0,0000000005% массы обычного вещества в том же регионе. Вся темная материя вместе взятых примерно равна массе небольшого астероида вроде Юноны.

Со временем и темная материя, и нормальная материя будут сталкиваться с этой черной дырой, поглощаясь и увеличивая ее массу. Подавляющее большинство роста массы черных дыр будет происходить за счет нормальной материи, а не темной материи, хотя в какой-то момент, примерно через 10²² лет в будущем, скорость распада черной дыры, наконец, превысит скорость роста черной дыры.
Излучение Хокинга приводит к испусканию частиц и фотонов из-за пределов горизонта событий черной дыры, сохраняя всю энергию, заряд и угловой момент из внутренностей черной дыры. Возможно, информация, закодированная на поверхности, каким-то образом закодирована и в излучении: в этом суть информационного парадокса черной дыры.

Этот процесс может занять от 10⁶⁷ до 10¹⁰⁰ лет, в зависимости от массы черной дыры. Но получается просто тепловое излучение абсолютно черного тела.
Это означает, что некоторое количество темной материи выйдет из черных дыр, но ожидается, что это будет совершенно независимо от того, попало ли значительное количество темной материи в черную дыру изначально. Все, что остается в памяти черной дыры после того, как что-то в нее попало, - это небольшой набор квантовых чисел, и количество темной материи, попавшей в нее, не входит в их число. То, что получится, по крайней мере, с точки зрения содержания частиц, не будет таким же, как то, что вы вложили!

Если вы посчитаете, то обнаружите, что черные дыры используют как обычную материю, так и темную материю в качестве источника пищи, но эта нормальная материя будет доминировать над скоростью роста черной дыры, даже в течение долгих космических масштабов времени. Когда Вселенная будет более чем в миллиард раз старше, чем сегодня, черные дыры по-прежнему будут обязаны более чем 99% своей массы нормальной материи и менее 1% - темной материи.
Темная материя не является ни хорошим источником пищи для черных дыр, ни (с точки зрения информации) интересной. То, что черная дыра получает от поедания темной материи, ничем не отличается от того, что она получает от освещения ее фонариком. Имеет значение только содержание массы/энергии, которое вы получили бы из E=mc². Черные дыры и темная материя взаимодействуют, но их эффекты настолько малы, что даже полное игнорирование темной материи дает вам отличное описание черных дыр: прошлого, настоящего и будущего.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!