В ранней Вселенной могли рождаться крошечные чёрные дыры — с гору массой, но размером с атомное ядро. Сегодня они способны служить фабриками тёмной материи. Механизмов два: привычное испарение (излучение Хокинга) и менее известное сверхизлучение. Это процесс, при котором вращение дыры раскачивает поле вокруг, отнимает энергию и превращает её в облако частиц.
Авторы работы добавили в картину важную деталь из теории струн — так называемую «аксионную вселенную» (string axiverse). Согласно ей, в природе могут существовать не один, а сотни или тысячи видов сверхлёгких частиц — аксионов. Когда чёрная дыра испускает сразу много таких видов, её вращение усиливается, и сверхизлучение становится гораздо эффективнее. Облако частиц вокруг дыры растёт быстрее и достигает большей плотности.
Финалом может стать «микро-бозонная звезда» — самогравитирующий сгусток тёмной материи, оставшийся после того, как чёрная дыра прекратила накачку. Такие объекты не светятся и почти не взаимодействуют с обычным веществом, но обладают массой и создают гравитацию. Расчёты показали, что этот сценарий работает для широкого набора масс чёрных дыр и аксионов. Он заметно расширяет область параметров, где первичные чёрные дыры могут объяснить всю наблюдаемую тёмную материю.
Любопытно, что сами аксионы, вылетающие при испарении, почти не вносят вклада в излучение ранней Вселенной — их след в реликтовом фоне исчезающе мал. Таким образом, основным каналом рождения тёмной материи остаётся сверхизлучение, а не прямое испускание частиц.
Сверхизлучение работает как космический аналог лазера, но для гравитационных волн: вращение чёрной дыры усиливает поле частиц, заставляя их размножаться лавинообразно.
В романе «Чёрные облака» Фреда Хойла разумное облако газа оказывается формой жизни — микро-бозонные звёзды из этой статьи тоже были бы невидимыми сгустками, но уже без намёка на разум.