Первинні чорні діри можуть викликати наднові типу Ia, і астрономи мають можливість їх виявити

Космологія та астрофізика відкривають перед нами незвичайні горизонти. Учені в цих галузях ведуть детальні дискусії про об'єкти, які можуть навіть не існувати. Однією з таких тем є первинні чорні діри.

Первинні чорні діри (ПЧД) є лише гіпотетичними об'єктами, але вони викликають значний інтерес. Якщо вони справді існують, то утворилися відразу після Великого вибуху внаслідок прямого колапсу щільних скупчень субатомної матерії, без зіркових попередників. Дослідники вже давно вважають, що вони можуть бути основним, або навіть єдиним, компонентом темної матерії.

Якщо ПЧД дійсно існують, це відкриває можливість дослідження їх взаємодії з іншими астрономічними об'єктами та слідів, які вони залишають, навіть якщо самі ПЧД виявити неможливо. Це є основною ідеєю нового дослідження, опублікованого в журналі The Astrophysical Journal під назвою "Первинні чорні діри, що викликають наднові типу Ia. II. Порівняння з залишками наднових і хімічною еволюцією галактик." Головний автор — Шінг-Чі Леунг з Департаменту фізики Політехнічного інституту SUNY та Інституту Кавлі з фізики та математики Всесвіту (WPI) при Університеті Токіо.

"Клас первинних чорних дір маси астероїда є одним із кандидатів на роль темної матерії у Всесвіті," — зазначають автори. Вони мають маси, які варіюються від великого астероїда до маленької місяця або карликової планети, і можуть бути основним компонентом темної матерії. "Впадіння цих ПЧД у білий карлик може бути одним із механізмів, що викликають наднові типу Ia."

Ця схема показує, як ПЧД проходить через білий карлик. Під час проходження його гравітаційна сила викликає припливне нагрівання в середині білого карлика. Коли матеріал досягає порогової температури <~0.5 мільярда Кельвінів, це викликає неконтрольоване ядерне горіння. Якщо область, що горить, достатньо велика, термоядерний вибух призведе до наднової типу Ia. Зображення: Kavli IPMU/Gemini AI (Banana Pro)

Наднові типу Ia виникають у бінарних системах, де одна з зір є щільним білим карликом (БК). У цьому сценарії БК відбирає газ у свого зоряного партнера, де він накопичується на поверхні БК. Зрештою, накопичується достатньо матеріалу, і БК вибухає як наднова. На відміну від інших вибухів наднових, залишків зірки не залишається. БК знищується в експлозії, а залишаються лише розширювальна оболонка уламків з певним хімічним підписом.

Дослідники раніше вже публікували роботи про наднові типу Ia, викликані ПЧД, і в цій роботі вони розширюють свої дослідження. "У попередній роботі ми вивчали запалювання, динаміку вибуху, радіаційний перехід та нуклеосинтез після вибуху наднових типу Ia," — зазначають вони. У цій роботі акцент робиться на світлових кривих наднових та металевості залишків наднових. Вони стверджують, що можуть ідентифікувати наднові за їхньою специфічною хімією. "Ми далі досліджуємо, як ці наднові можуть вплинути на хімічну еволюцію на галактичному рівні, додаючи нові моделі наднових Ia як нове джерело хімії," — пояснюють автори.

Дослідники розширили свої попередні дослідження на більший діапазон зоряної металевості. Деякі з отриманих світлових кривих від цих наднових типу Ia, викликаних ПЧД, відповідають існуючим залишкам наднових. "Ми показуємо, що ці наднові типу Ia, викликані ПЧД, ведуть себе подібно до звичайних наднових типу Ia, де вища металевість впливає на виробництво Mn і Ni," — зазначають автори. "Ми показуємо, що деякі з цих спостережуваних наднових типу Ia можуть бути наслідком вибуху, викликаного ПЧД."

Після цього вони інтегрували ці результати в модель галактичної хімічної еволюції (ГХЕ). "Ми включаємо ПЧД як нове джерело хімії зір у код," — пояснюють автори. ГХЕ ілюструє, як ці наднові вплинуть на хімію зір протягом тривалих космічних періодів.

Дослідники також проаналізували спостережувану елементну abundancію в зірках, щоб перевірити, чи є якісь відповідності з тим, що показувала ГХЕ. На основі цього вони визначили частку всіх наднових типу Ia, які могли б імовірно походити від наднових, викликаних ПЧД. Їхні результати свідчать, що ці наднові могли бути значним внеском у наднові типу Ia, особливо в ранньому Всесвіті. "Таким чином, канал ПЧД може бути альтернативою для пояснення широкого розподілу елементних abundancій у зірках з високою металевістю з різних зоряних обстежень," — зазначають дослідники.

"Наша робота припускає, що деякі наднові, які ми спостерігаємо на небі, можуть бути результатом ПЧД," — зазначив головний автор Леунг у прес-релізі. "Отже, навіть якщо ми не можемо безпосередньо спостерігати ці непомітні об'єкти, вони залишають багато цікавих підказок у природі для дослідження їхніх властивостей," — додав він.