Pasożyt gwiezdny: teoretycznie możliwe jest, że czarna dziura ukryje się w centrum Słońca niezauważona przez nas, obliczają astronomowie. W ten sposób potwierdzają teorię fizyka Stephena Hawkinga, według której w przestrzeni kosmicznej może znajdować się wiele małych czarnych dziur, z których część znajduje się także wewnątrz gwiazd. Teoretycznie nasze Słońce mogłoby również przypominać „gwiazdę Hawkinga” i dzięki temu żyć dłużej niż zwykle, jak podaje zespół w The Astrophysical Journal.

W latach 70. XX wieku brytyjski fizyk Stephen Hawking, poszukując wyjaśnienia ciemnej materii i innych zjawisk kosmicznych, postulował pozornie dziwaczną teorię. Zgodnie z tym fluktuacje gęstości bezpośrednio po Wielkim Wybuchu doprowadziły do ​​powstania pierwotnych czarnych dziur, małych osobliwości, które w dużych ilościach i niewidocznie zaludniły młody Wszechświat. Zakłada się, że wpływ grawitacji może wyjaśnić działanie ciemnej materii.

Problem polega jednak na tym, że jeśli istnieją te miniaturowe wersje czarnych dziur, gdzie one wszystkie się znajdują? Jeśli znajdują się poza ciemną materią, astronomowie obliczyli, że w promieniu zaledwie jednej jednostki astronomicznej powinno znajdować się około tryliona tych maleńkich, niewidzialnych obiektów. Ale żaden z nich nie został jeszcze odkryty. Jednak nawet nieaktywne gwiezdne czarne dziury są trudne do znalezienia, więc brak wykrycia pierwotnego małego wariantu nie jest zaskakujący.

Czy słońce jest gwiazdą Hawkinga?

Według Hawkinga istnienie pierwotnych czarnych dziur miałoby interesujące konsekwencje: kiedy obłoki gazu zapadają się, tworząc nowe gwiazdy, niektóre z mniejszych dziur powinny dotrzeć do gwiazd. Stąd taka „gwiazda Hawkinga” miałaby w swoim centrum czarną dziurę. Jednak wbrew temu, co mogłoby się wydawać, nie jest to wyrok śmierci dla gwiazdy: zewnętrzne ciśnienie promieniowania powstające w wyniku syntezy jądrowej opiera się grawitacji czarnej dziury i w ten sposób uniemożliwia jej uzyskanie „pożywienia” – może zatem rosnąć bardzo powoli. zgodnie z hipotezą Hawkinga.

Astronomowie pod kierownictwem Earla Bellingera z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka w Garching zbadali bardziej szczegółowo, czy Hawking ma rację i jakie mogą być konsekwencje dla gwiazdy takiej jak Słońce. W tym celu wykorzystali model astrofizyczny do symulacji ewolucji różnych typów gwiazd Hawkinga, w tym gwiazdy takiej jak nasze Słońce.

„Czarna dziura wielkości Merkurego”

Zaskakującym wynikiem jest to, że gwiazdę Hawkinga z ukrytym „pasożytem” w centrum trudno rozpoznać z zewnątrz – zakładając, że masa czarnej dziury nie przekracza pewnego limitu. „Nasze Słońce może mieć w swoim centrum czarną dziurę wielkości Merkurego, a my nawet tego nie zauważymy” – mówi Bellinger.

Powód: taka pierwotna czarna dziura w jądrze Słońca zmieniłaby gęstość, tempo syntezy i propagację fal dźwiękowych naszej gwiazdy o mniej niż jeden procent – ​​obliczają astronomowie. „Jeśli masa otaczającej czarnej dziury jest bardzo mała, gwiazda Hawkinga jest w zasadzie nie do odróżnienia od zwykłej gwiazdy” – wyjaśniają.

Czarny „pasożyt” przedłuża życie gwiazd

Jest jednak jedna właściwość, która radykalnie zmieni się w gwieździe Hawkinga – ale dla nas, ludzi, jest trudna do zmierzenia: wiek gwiazdy. Zwykle zależy to od zapasów wodoru w środku: jeśli się on wyczerpie, paliwo z syntezy jądrowej wyczerpie się i gwiazda rozszerza się do czerwonego olbrzyma, zanim jej jądro zapadnie się w białego karła. Dla naszego Słońca początek końca może nastąpić za około pięć miliardów lat.

Gdyby jednak w Słońcu istniała czarna dziura, byłoby inaczej: za około 2,5 miliarda lat powoli rosnąca czarna dziura w jej wnętrzu pochłonęłaby około 0,1% swojej masy. „To chłodzi jądro Słońca i zatrzymuje reakcje syntezy jądrowej” – mówią Bellinger i jego zespół. Dzięki temu do czarnej dziury może wpaść więcej materii, a uwolniona energia częściowo zastępuje energię syntezy jądrowej. „Gwiazdy z czarną dziurą w centrum mogą żyć zaskakująco długo” – mówi Bellinger.

Zbawienie dla ziemi

Dla Słońca oznacza to, że zastąpiłoby ono syntezę jądrową nowym źródłem energii – akrecją czarnej dziury – i w związku z tym mogłoby świecić o kilka miliardów lat dłużej niż zwykle. Jednocześnie silne wymieszanie jego wnętrza zapobiega również jego ekspansji w czerwonego olbrzyma: „Ekspansja Słońca zakończy się maksymalnie na 0,03 jednostki astronomicznej” – podają astronomowie. „To uchroniłoby Ziemię przed pochłonięciem przez pęczniejące czerwone słońce”.

Jednak efekt przedłużenia życia czarnej dziury ma swoją cenę: pasożyt wewnątrz gwiazdy rośnie coraz szybciej. Za około sześć miliardów lat może już stanowić 1% masy Słońca. Za około osiem miliardów lat czarna dziura będzie tak duża, że ​​pochłonie Słońce w całości. „Słońce zamienia się wówczas w czarną dziurę” – mówią Bellinger i jego współpracownicy.

Jak można odkryć gwiazdy Hawkinga?

Za pomocą swoich modeli astronomowie pokazali, że nasze Słońce może, przynajmniej w teorii, być Gwiazdą Hawkinga. Naukowcy potwierdzają: „Do tej pory nie ma pozytywnych dowodów na istnienie czarnej dziury w naszym Słońcu”. Można to jednak zweryfikować za pomocą astrosejsmologii, gdzie charakterystyczne oscylacje gwiazdy dostarczają informacji o jej wewnętrznej strukturze i procesach.

Jednak obecne metody pomiaru nie są jeszcze wystarczająco zaawansowane, aby określić dokładne sygnały gwiezdnego „pasożyta”. Potrzebnych jest także więcej symulacji, aby dokładnie dowiedzieć się, jakich sygnatur powinni szukać astronomowie. Dlatego poszukiwanie gwiazd Hawkinga w późnym stadium może być bardziej obiecujące, ponieważ sygnały będą tam wyraźniejsze – wyjaśnia zespół.

Jednym z miejsc, w których można znaleźć szczególnie dużą liczbę gwiazd Hawkinga, są szczególnie gęste gromady starożytnych gwiazd: „Istnieją dobre powody, aby przypuszczać, że gwiazdy Hawkinga występują powszechnie w gromadach kulistych i bardzo słabych galaktykach karłowatych” – mówi współautor Matt Kaplan Uniwersytetu Harvarda. Uniwersytet Stanowy Illinois. (The Astrophysical Journal, 2023; doi: 10.3847/1538-4357/ad04de)

Źródło: Instytut Astrofizyki Maxa Plancka

19 lutego 2024 – Nadia Podbrigar