Примордиальные черные дыры могут вызывать сверхновые типа Ia, и астрономы должны уметь их находить

Теоретическая космология и астрофизика могут увести нас в удивительные области. Исследователи в этих областях часто ведут длительные и детализированные обсуждения о сущностях, которые могут и не существовать. Примером этого являются примордиальные черные дыры (ПЧД).

Примордиальные черные дыры остаются гипотетическими, однако они вызывают значительный интерес. Если они действительно существуют, то образовались сразу после Большого взрыва в результате прямого коллапса плотных скоплений субатомной материи, без необходимости в звездном предшественнике. Ученые долгое время считали, что они могут быть основным или даже единственным компонентом темной материи.

Если ПЧД существуют, то можно выяснить, как они взаимодействуют с другими астрономическими объектами и какие следы оставляют, даже если мы не можем обнаружить сами ПЧД. Это основная идея нового исследования, опубликованного в журнале The Astrophysical Journal под названием "Примордиальные черные дыры, вызывающие сверхновые типа Ia. II. Сравнение с остатками сверхновых и галактической химической эволюцией." Главным автором является Шинг-Чи Лунг из Департамента физики Политехнического института SUNY и Института Кавли по физике и математике Вселенной при Токийском университете.

"Класс примордиальных черных дыр с массой астероида является одним из кандидатов на роль темной материи во Вселенной," пишут авторы. Эти дыры имеют массу от крупного астероида до небольших луны или карликовой планеты и могут быть основным компонентом темной материи. "Падение этих ПЧД в белый карлик может быть одним из механизмов, вызывающих сверхновые типа Ia."

Эта схема показывает, как ПЧД проходит через белый карлик. Во время прохождения его гравитационное воздействие вызывает приливное нагревание в центре белого карлика. Как только материал достигает пороговой температуры <~0.5 миллиарда Кельвинов, это вызывает неконтролируемое ядерное горение. Если площадь горения достаточно велика, то термоядерный разгон приведет к сверхновой типа Ia. Кредит изображения: Kavli IPMU/Gemini AI (Banana Pro)

Сверхновые типа Ia происходят в двойных системах, где одна звезда — это плотный белый карлик. В этом сценарии белый карлик забирает газ у своего звездного партнера, который накапливается на его поверхности. В конечном итоге накапливается достаточно материала, и белый карлик взрывается как сверхновая. В отличие от других взрывов сверхновых, звезда-остаток не остается. Белый карлик уничтожается в этом взрыве, и остается только расширяющаяся оболочка обломков с характерным химическим следом.

Исследователи ранее публиковали работы о сверхновых типа Ia, вызванных ПЧД, и в этой работе они расширяют свои исследования. "В предыдущей работе мы изучали зажигание, динамику взрыва, радиационный перенос и нуклеосинтез после взрыва сверхновых, вызванных ПЧД," пишут они. В этой работе они сосредоточились на световых кривых сверхновых и металличности остатков сверхновых. Они утверждают, что могут идентифицировать сверхновые по их уникальной химии. "Мы дополнительно исследуем, как эти сверхновые могут влиять на химическую эволюцию на галактическом уровне, добавляя новые модели сверхновых типа Ia как новый химический источник," объясняют авторы.

Исследователи расширили свои предыдущие исследования на более широкий диапазон звездной металличности. Некоторые из полученных световых кривых от этих сверхновых, вызванных ПЧД, совпадают с существующими остатками сверхновых. "Мы показываем, что эти сверхновые, вызванные ПЧД, ведут себя аналогично обычным сверхновым типа Ia, где высокая металличность влияет на производство Mn и Ni," отмечают авторы. "Мы показываем, что некоторые из этих наблюдаемых сверхновых типа Ia могут быть следствием взрыва, вызванного ПЧД."

Далее они ввели эти результаты в модель галактической химической эволюции (ГХЭ). "Мы включаем ПЧД как новый звездный химический источник в код," объясняют авторы. Модель ГХЭ показала, как эти сверхновые повлияют на химию звезд на длительных временных интервалах космического времени.

После этого они изучили наблюдаемые элементарные abundances в звездах, чтобы увидеть, есть ли совпадения с тем, что показала ГХЭ. В результате они определили долю всех сверхновых типа Ia, которые могли бы происходить от сверхновых, вызванных ПЧД. Их результаты показывают, что эти сверхновые могли быть значительным вкладом в сверхновые типа Ia, особенно в ранней Вселенной. "Таким образом, канал ПЧД может быть альтернативным объяснением широкого распространения элементарных abundances в звездах с высокой металличностью из различных звездных опросов," пишут исследователи.

"Наша работа предполагает, что некоторые сверхновые, которые мы наблюдаем на небе, могут быть результатом ПЧД," сказал главный автор Лунг в пресс-релизе. "Поэтому, даже если мы не можем напрямую наблюдать эти ускользающие объекты, они оставляют много интересных подсказок в природе, которые мы можем исследовать для определения их свойств," добавил Лунг.