Ожидается ли, что черные дыры будут содержать такое же соотношение темной материи и обычной материи, как и остальная часть Вселенной?

(Короткий ответ: нет, прокрутите до последней точки.)

• Внешнему наблюдателю безразлично, была ли материя, упавшая в черную дыру, темной материей или барионной, согласно теореме об отсутствии волос. Единственными свойствами черной дыры с нашей точки зрения являются масса, электрический заряд и угловой момент. (Но, конечно, мы не понимаем квантовую гравитацию.)
• С точки зрения материи, попавшей в черную дыру, при пересечении горизонта событий ничего особенного не происходит. Это означает, что темная материя остается темной, а барионная материя остается барионной, если смотреть изнутри черной дыры.
• Существуют некоторые разногласия по поводу того, сколько темной материи существует во Вселенной. Эта недавняя статья , например, в абстрактной форме указывает, что более точное моделирование кривых галактического вращения может исключить большой процент ожидаемой небарионной темной материи. (Обратите внимание, как указал @pela в комментариях, что статьи этого автора не рецензировались экспертами и могут вызывать подозрения.) Очевидно, что количество темной материи во Вселенной сильно повлияет на ответ на вопрос. Я должен отметить, что полемика в основном состоит из небольшого числа ученых-вокалистов, которые непропорционально часто появляются в СМИ. Следя за мейнстримными научными новостями, у меня сложилось впечатление, что о смерти темной материи объявляют раз в месяц или около того.
• Формирование сверхмассивных черных дыр плохо изучено. Одна из гипотез состоит в том, что они могут образоваться в результате последовательного слияния черных дыр звездной массы. Поскольку недавно наблюдались гравитационно-волновые наблюдения за такими слияниями , а также недавно наблюдались кандидаты в черные дыры промежуточной массы , я предполагаю здесь, что именно так они образуются и что, следовательно, сверхмассивные черные дыры состоят примерно из того же вещества, что и черные дыры звездной массы.
• Черные дыры теряют большую часть своей массы в процессе формирования. Важно всегда иметь в виду, говорим ли мы о массе звездного ядра, которое коллапсировало, чтобы образовать черную дыру (часто это «масса» черной дыры, о которой говорят, например, о минимальном размере черной дыры). дыра, которая может образоваться в результате коллапса ядра) или масса черной дыры, которую видит удаленный наблюдатель после вспышки сверхновой.
• Частицы темной материи не могут потерять много орбитальной энергии из-за взаимодействия с другим веществом или из-за излучения, поэтому они будут оставаться на орбите вокруг черной дыры, а не падать внутрь, если только они по маловероятной случайности не столкнутся с ней вблизи горизонта событий. В этой статье показано, что смоделированные сверхмассивные черные дыры получают не более 10% своей массы из темной материи.

Однако следует сказать, что некоторые ученые подозревают, что темная материя состоит в первую очередь из первичных черных дыр. Существует также теория MACHO ( массивных компактных гало-объектов ), согласно которой темная материя состоит из больших компактных тел, таких как черные дыры, но большинство считает, что эта теория не может объяснить наличие темной материи во Вселенной.

Темная материя находится (считается) в ореолах, которые простираются как до центров галактик, так и за пределы большей части обычной материи в галактиках (газ, звезды, пыль). Таким образом, черная дыра внутри галактики может и, несомненно, будет поглощать некоторое количество темной материи. Однако:

Черные дыры звездной массы образуются в результате коллапса ядра массивной звезды. Поскольку звезды почти полностью состоят из обычного вещества, первоначально образовавшийся остаток ЧД сам должен был состоять почти полностью из обычного вещества. Позже такие ЧД могут расти за счет аккреции газа (например, от близкой двойной звезды-компаньона), и в этом случае они набирают массу в виде обычного вещества. Чёрная дыра неизбежно поглотит какое -то количество тёмной материи, когда она вращается внутри своей родительской галактики — точно так же, как, например, ЧД поглотит немного межзвёздной пыли. Но он все равно был бы в подавляющем большинстве сформирован из обычной материи.

Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, вероятно, возникли бы в результате какого-то коллапса газового облака или очень массивной звезды в ранней Вселенной, которые опять-таки будут состоять в основном из обычного вещества. Последующий рост сверхмассивных черных дыр происходит в основном за счет межзвездного газа, питающего аккреционный диск вокруг черной дыры, а также случайных звезд, которые подходят слишком близко, так что в черную дыру снова попадает обычное вещество. (В центральных областях галактик действительно есть некоторое количество темной материи, но в них преобладает обычная материя. Кроме того, обычная материя в виде газовых облаков может легко терять энергию в результате столкновений облаков и опускаться к центру галактики, где она могла бы кормить сверхмассивную ЧД, темная материя не может этого сделать.)

(Конечно, как указывает пользователь 25972, для таких аутсайдеров, как мы, в значительной степени не имеет значения, какая материя идет на создание ЧД. Черная дыра, образованная из темной материи, будет вести себя идентично черной дыре, образованной из обычной материи.)