Первичная черная дыра в Солнечной системе. Где и как ее искать

• Загадка транснептуновых орбит
• Что такое первичные черные дыры
• Ускоритель пыли

Гипотеза о таинственном массивном объекте на окраине Солнечной системы все чаще привлекает внимание астрономов. Пока неясно, что это — планета это или первичная черная дыра. Российские ученые предложили новый способ поиска невидимого пленника нашей звезды.

Загадка транснептуновых орбит

В 2016 году американские астрономы Майкл Браун и Константин Батыгин выдвинули гипотезу о том, что вокруг Солнца по дальней орбите вращается еще одна планета. Это объясняло бы аномалии в поясе Койпера — области за Нептуном, где сконцентрированы малые ледяные тела, включая Плутон. Его из числа полноценных планет исключили еще раньше, в 2006-м, решением Международного астрономического союза и перевели в разряд карликовых.

Наблюдения показали, что у части обитателей пояса Койпера орбиты не случайные, а определенным образом связаны между собой — скоррелированы. Ученые предположили, что на них действует сила притяжения неизвестного тела, которое расположено в 300-500 раз дальше от Солнца, чем Земля, и в пять — максимум десять раз — ее массивнее.

Это могла бы быть суперземля — особый класс экзопланет. В таком случае она сформировалась в другой системе и была захвачена Солнцем во время сближения с материнской звездой или как свободнолетящая в Галактике «бесхозная» планета. Это небесное тело, пока не открытое, астрономы называют девятой планетой — вместо Плутона.

В 2019-м Якоб Шольц из Даремского университета и Джеймс Анвин из Университета штата Иллинойс предложили вместо планеты искать первичную черную дыру (ПЧД). Проблема, однако, в том, что напрямую ее увидеть нельзя — можно только заметить по сильному гравитационному полю.

Орбита предполагаемого массивного объекта на периферии Солнечной системы

Российские ученые Юрий Ерошенко из Института ядерных исследований РАН и Елена Попова из Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН нашли новый способ наблюдения за объектом-невидимкой — по космической пыли вблизи орбиты Земли.

«Есть вероятность, что часть пыли была выброшена из-за орбиты Нептуна гравитационным полем девятой планеты или ПЧД и прилетела к Земле. Скорость у этой компоненты пыли должна быть в полтора раза больше, чем у обычных космических пылинок. Также, возможно, эта пыль отличается от обычной по химическому составу. Не исключено, что дальнейшие исследования помогут выделить аномальную компоненту. Тогда можно будет сделать вывод о наличии на периферии массивного объекта», — говорит Юрий Ерошенко.

Что такое первичные черные дыры

По одной из гипотез, первичные черные дыры рождались в молодой Вселенной еще до возникновения первых звезд и галактик. По мнению ученых, в пользу этой версии говорит существование ранних квазаров, а также — недавнее открытие телескопом имени Джеймса Уэбба сверхмассивных черных дыр на больших красных смещениях. Механизм появления ПЧД неясен.

«В одной из популярных моделей они возникают в результате коллапсов сгущений плотности в первичной космологической плазме — из смеси ультрарелятивистских частиц. Образно говоря, из света, который сгущается, уплотняется и становится черным. Есть еще красивая модель Сахарова — Рубина — Хлопова, предсказывающая рождение целых россыпей ПЧД — кластеров», — рассказывает Ерошенко.

ПЧД впервые предсказали советские физики Яков Зельдович и Игорь Новиков. Их статью опубликовали в 1966-м в Астрономическом журнале. В то время издание было мало известно на Западе, поясняет ученый, поэтому, когда спустя пять лет Стивен Хокинг независимо выдвинул аналогичную гипотезу, авторство приписали ему.

«Чем Хокинг действительно обогатил идею ПЧД — так это концепцией об их квантовом испарении», — продолжает физик.

Первичные черные дыры могут иметь довольно небольшую массу — например, сравнимую с земной. Радиус такого объекта будет всего около одного сантиметра. У ПЧД массой Солнца — три километра, уточняет Ерошенко.

ПЧД небольшой массы должны быстро испаряться, что можно обнаружить по вкладу в космический гамма-фон. Сделать это пока не удалось, однако ученые не спешат отказываться от идеи, добавляет Ерошенко, поскольку она (в случае гораздо более массивных ПЧД) позволяет объяснить некоторые явления во Вселенной — например, гравитационные волны и сверхмассивные черные дыры.

«В некоторых гравитационно-волновых событиях, зафиксированных детекторами LIGO/Virgo, параметр углового момента оказался малым. Это сложно объяснить в модели с астрофизическими черными дырами, но малые угловые моменты как раз предсказываются в моделях с ПЧД», — говорит исследователь.

Двойная система черных дыр, открытая коллаборацией LIGO-Virgo в 2016 году. Ученые полагают, что они могут быть первичными

По мнению Ерошенко, важное свидетельство в пользу ПЧД опубликовано в работах Константина Постнова из ГАИШ МГУ и Александра Долгова из Новосибирского университета.

«Они показали, что функция масс наблюдаемых черных дыр очень хорошо соответствует предсказываемой в некоторых моделях функции масс ПЧД. Это сильный аргумент в пользу их существования», — отмечает ученый.

Согласно еще одной модели, ПЧД — кандидаты на роль темной материи. Однако сейчас выясняется, что их недостаточно.

«Например, в области масс черных дыр, ответственных за сигналы LIGO/Virgo, доля ПЧД с темной материей не превышает одного процента», — поясняет физик.

Также пришлось оставить попытки обнаружить рождение микроскопических черных дыр в кольце Большого адронного коллайдера. Высказывались идеи, что столкновение ледяных глыб с ПЧД должно порождать рентгеновские вспышки. Однако выделить их на фоне космических пока не удалось.

Ускоритель пыли

Пыль в Солнечной системе порождает зодиакальный свет — слабое свечение, наблюдаемое перед восходом Солнца и на закате. У этой пыли разное происхождение. Самая древняя, бывшая частью протопланетного диска, была унесена в облако Оорта — гипотетическую зону на окраине Солнечной системы, откуда прилетают кометы.

Ученые исходят из того, что если масса ПЧД порядка десяти масс Земли, то примерно столько же пыли содержится во внутреннем облаке Оорта. Оттуда частицы уносятся кометами во внутренние области Солнечной системы. Но ученых интересует другой механизм переноса — рассеяние пылинок на ПЧД.

Млечный путь над пустыней Те-Пиннаклс в Австралии. Яркие участки у горизонта — зодиакальный свет, порожденный пылевыми потоками в Солнечной системе

«Если на периферии находится первичная черная дыра, то своим гравитационным полем она возмущает орбиты частиц пыли, и часть частиц может попадать во внутреннюю область Солнечной системы, залетая внутрь орбиты Земли», — пишут Ерошенко и Попова в статье, опубликованной в последнем номере Астрономического журнала (исследование поддержано Российским научным фондом, грант № 23-22-00013).

В расчетах рассмотрены варианты, построенные на нескольких правдоподобных допущениях, указывают авторы. Для некоторого набора параметров поток космической пыли у Земли, создаваемый ПЧД, достигает в самом оптимистическом случае трех микрограммов на квадратный метр в год, что согласуется с наблюдениями — подсчетом числа пылинок во льду Антарктиды и путем прямых измерений с космических аппаратов. Хотя доля пыли, создаваемая ПЧД, в общем потоке может быть незначительна, ее отличает относительно высокая скорость и, возможно, аномалии химического состава. Так что пыль к Земле может быть принесена не только кометами и астероидами, но и гравитационным воздействием ПЧД. Какую долю в общем пылевом потоке занимают частицы из облака Оорта, еще предстоит выяснить.

Ученые считают, что ПЧД, как и девятая планета, могла быть захвачена Солнцем во время случайного сближения. И хотя вероятность такого события невелика, совсем сбрасывать его со счетов нельзя.