暗物质助力：仅40吨的黑洞可在恒星内部存活

引言：霍金辐射与微型黑洞的悖论

1974年，斯蒂芬·霍金提出了一个颠覆性的理论：黑洞并非完全“黑”的，它们会通过一种量子过程——霍金辐射——缓慢地损失能量。黑洞的质量越小，其蒸发速度就越快。对于在宇宙早期形成的原初黑洞来说，这一推论的影响尤为深远。一个质量约为10¹²千克的原初黑洞，其蒸发时间尺度与宇宙年龄相当。因此，质量显著更小的原初黑洞理论上不可能存活至今。

然而，一项发表于《物理评论D》的最新研究提出了一种全新的可能性：这些微小的黑洞或许不必诞生于宇宙早期。它们可以在更晚的时期，在致密恒星的内部形成。这项研究由印度马尼帕尔高等教育学院、塔塔基础研究所等机构的科学家共同完成，为理解暗物质、黑洞与恒星演化之间的复杂互动开辟了新的视角。

暗物质：微型黑洞的“救命稻草”

研究的核心在于一种假设性的暗物质粒子——超重非对称暗物质。与普通暗物质粒子不同，这类粒子在相遇时不会高效地湮灭。因此，当它们被中子星或白矮星等致密恒星的强大引力捕获后，会逐渐在恒星核心积累。随着数量的增加，这些暗物质粒子自身会产生引力，最终坍缩形成一个微小的“内寄生黑洞”。

一旦形成，这个微型黑洞的命运就不再仅仅由霍金辐射决定。它身处恒星内部，周围是密度极高的恒星物质。它可以通过吞噬宿主恒星的普通物质，以及持续捕获新的暗物质粒子来增加自身质量。研究人员的计算表明，在有利条件下，一个初始质量仅为约40公吨（相当于一辆满载的重型卡车质量）的黑洞，竟然能够克服霍金辐射的蒸发效应，并持续增长。而实现这一奇迹的关键，正是暗物质。

生长与蒸发的竞赛：决定黑洞命运的关键

一个新生的内寄生黑洞并不会立刻吞噬它的宿主恒星。它的最终命运由一场激烈的竞赛决定：一方面，吞噬恒星物质和持续捕获暗物质会使其质量增加；另一方面，霍金辐射则不断使其质量减少。

这场竞赛还涉及一个量子力学层面的复杂性。对于一个极其微小的黑洞，将吞噬物质视为连续流体的经典描述可能失效。当入射粒子的德布罗意波长与黑洞的特征尺度相当时，必须采用量子力学来描述粒子的吸收过程。随着黑洞逐渐长大，经典的流体吸积模式才会重新占据主导。研究人员的计算模型同时考虑了这两种吸积模式，并综合了恒星物质吸积、持续暗物质供给和霍金辐射三个过程。

临界质量：暗物质如何降低增长门槛

这场竞争定义了一个临界黑洞质量。低于这个质量，霍金辐射将占据上风，黑洞无法持续增长；高于这个质量，物质供给的速度就能超过蒸发速度，黑洞得以继续成长。

研究发现，持续的暗物质供给可以极大地降低这个临界质量。如果忽略暗物质供给，仅考虑恒星物质吸积和霍金辐射，在典型的致密恒星案例中，临界质量大约在10¹⁰千克量级。然而，一旦将持续的暗物质供给纳入计算，临界质量可以大幅下降。

对于位于银河系盘面（我们的太阳系所在区域）的白矮星，临界初始质量约为10,000公吨。但在暗物质密度高得多的银河系核球区域，这个临界质量可以骤降至仅40公吨。对于位于银河系核球的中子星，相应的临界质量约为600公吨。

需要强调的是，这并不意味着科学家已经观测到了一个40吨的黑洞。而是指，在论文所考虑的特定条件下，一个初始质量如此之小的黑洞，其质量增长率可以为正，而不是被霍金辐射蒸发掉。只要有足够的时间，它就能持续增长，最终吞噬其宿主恒星，并将其转变为一个更大的黑洞。

结论与意义：恒星作为暗物质探测器

这项研究的核心结论是，霍金辐射虽然是计算中不可或缺的一环，但黑洞所处的环境可以戏剧性地改变其命运。在致密恒星内部形成的微型黑洞，能够从周围环境中获得新的质量。如果这种物质供给超过了霍金辐射造成的质量损失，即使是一个极其微小的黑洞也能持续增长。

这一论点也可以反过来应用。如果某种暗物质能够如此迅速地形成增长中的黑洞并摧毁其宿主，那么那些非常古老的致密恒星就不应该存在。因此，那些已经存在了数十亿年的毫秒脉冲星和白矮星的存活，就为超重暗物质粒子的质量及其与普通物质的相互作用强度设定了严格的约束条件。从这个意义上说，这些恒星已经为我们完成了实验，它们就像天然的暗物质探测器，在宇宙学的时间尺度上默默地工作着。

这项研究不仅为探索暗物质的性质提供了全新的思路，也深化了我们对黑洞形成与演化的理解。它表明，在宇宙的某些角落，可能存在着我们从未想象过的、质量极小的黑洞，它们正安静地潜伏在恒星内部，等待着被发现。未来的观测和理论研究将进一步验证这些预测，并可能揭示更多关于暗物质和黑洞的奥秘。

• 研究团队：由印度马尼帕尔高等教育学院（MCNS-MAHE）的Chandrachur Chakraborty助理教授、博士生H. A. Adarsha，以及塔塔基础研究所（TIFR）的Sudip Bhattacharyya教授共同完成。
• 发表期刊：《物理评论D》（Physical Review D）
• 预印本地址：arXiv:2608.10594

原标题：A black hole as light as 40 tons can exist inside a star if dark matter helps。 来源：phys.org。

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