Астрономы заподозрили в Девятой планете крошечную черную дыру

Ученые предложили гипотезу, согласно которой в галактических окрестностях Солнечной системы может находиться заметная концентрация небольших черных дыр. В таком случае можно объяснить избыток событий микролинзирования, а также из этой идеи следует, что Девятая планета, в пользу существования которой говорит ряд косвенных свидетельств, может оказаться захваченной в гравитационное влияние Солнца черной дырой с массой около пяти масс Земли, пишут авторы в препринте на сайте arXiv.org.

Обновлено: в июле 2020 года статья опубликована в Physical Review Letters.

На данный момент твердо установлено наличие восьми больших планет в Солнечной системе, а также большого количества карликовых планет, к которым относятся такие тела, как Плутон, Церера, Эрида, Макемаке и другие. Однако дальше орбиты Плутона находится плохо изученный пояс Койпера, в котором могут находиться пока не обнаруженные объекты с долгими периодами.

При этом в орбитальных параметрах известных объектов в поясе Койпера наблюдаются аномалии. В частности, орбиты тел с наибольшими периодами группируются в одном направлении, у некоторых объектов наблюдаются очень вытянутые орбиты, в то время как у других — сильно наклоненные к плоскости эклиптики.

В 2016 годы астрономы опубликовали статью, в которой предложили объяснить все необычные свойства орбит объектов из пояса Койпера влиянием новой достаточно крупной планеты — гипотетической Девятой планеты Солнечной системы. Если эта гипотеза верна, то планета может обладать массой в пределах от 5 до 15 земных, а при движении по орбите она находится от Солнца в 300–1000 астрономических единиц.

С другой стороны, существует и еще одна известная астрономам наблюдательная аномалия — избыток событий микролинзирования длительностью 0,1– 0,3 дня. Это явление заключается во временном повышении яркости звезды, когда вблизи луча зрения между ней и наблюдателем проходит другое массивное тело. Избыток наблюдается для линз, масса которых составляет примерно 0,5–20 масс Земли, а находятся они в основном в направлении на балдж Галактики, расположенный на расстоянии порядка восьми килопарсек, — далеко за пределами пояса Койпера.

Ученые выдвигали несколько возможных объяснений наблюдаемому избытку событий микролинзирования. Обычно считается, что он связан с популяцией свободнолетящих планет-сирот, которые перемещаются в межзвездном пространстве и не связаны гравитационно ни с какой звездой. В этом случае объяснение существования Девятой планеты другое: в прошлом она могла быть одним из таких странствующих тел, которое было захвачено притяжением Солнца.

В работе астрономов Якуба Шольца (Jakub Scholtz) из Даремского университета (Великобритания) и Джеймса Анвина (James Unwin) из Иллинойсского университета в Чикаго (США) предложена новая идея, которая позволяет единообразно объяснить обе аномалии. Авторы предлагают рассмотреть возможность того, что, как Девятая планета, так и избыточные микролинзирования могут быть объяснены не планетами, а первичными черными дырами, появившимися в ранней Вселенной.

Существует несколько типов черных дыр, которые отличаются механизмом образования. Чаще всего речь идет о сверхмассивных черных дырах, которые находятся в центрах галактик, а также черных дырах звездных масс, которые получаются в конце эволюции массивных светил в результате взрыва сверхновой. Однако теоретики выдвигали гипотезы, что черные дыры могли формироваться в очень ранней Вселенной непосредственно из существовавшей тогда плотной и горячей плазмы. Основным отличием таких первичных черных дыр является совершенно иной спектр масс. В частности, они могут быть очень маленькими, в то время как в результате звездной эволюции подобных получиться не может.

Астрономы отмечают, что подтверждение гипотезы подобного формирования черных дыр в контексте поисков Девятой планеты потребует принципиально иных наблюдений, чем предполагаются в случае планетной природы этого объекта. Так, чтобы открыть планету на столь большом расстоянии от звезды, потребуются наблюдения в дальнем инфракрасном или микроволновом диапазонах, так как ее температура будет очень мала. В то же время черную дыру с подобными характеристиками таким способом не найти вообще.

Черная дыра с массой в пять земных будет радиусом всего примерно 4,5 сантиметра (в статье авторы приводят соответствующее изображение в масштабе 1 к 1). Непосредственное излучение даже такой черной дыры крайне мало: она обладает температурой в 0,004 кельвина, а связанное с ней излучение Хокинга будет также крайне слабым. Однако так как такие черные дыры должны быть очень старыми, то вокруг них успеют сформироваться минигало из темной материи, простирающиеся на несколько астрономических единиц.

Во многих моделях темной материи предполагается, что ее частицы могут аннигилировать при взаимодействии друг с другом. Например, так должно происходить в случае нейтралино — гипотетической частицы, которая представляет собой смесь суперпартнеров Z-бозона, фотона и бозона Хиггса. Нейтралино относится к майорановским фермионам, то есть является античастицей по отношению к себе самой. В таком случае непосредственное взаимодействие двух таких частиц должно приводить к их аннигиляции, что будет сопровождаться вспышкой в гамма-диапазоне.

В заключении авторы пишут, что необходимо проводить поиски Девятой планеты в дополнительных диапазонах высокоэнергетического излучения, а не только в длинноволновой области. По их мнению, единственным способом доказать, что Девятая планета является первичной черной дырой, будет обнаружение движущегося источника гамма- или рентгеновских лучей. Поиск других первичных черных дыр можно осуществлять аналогичным образом.

Недавно астрономы запретили темной материи состоять из первичных черных дыр с массой Луны, смогли при помощи фотографии тени черной дыры ограничить массу частиц темной материи и проверили теорему об отсутствии волос у таких объектов с помощью гравитационных волн.

Тимур Кешелава