Звёзды из тёмной материи всё ещё не найдены. Но новые данные могут дать ключ к пониманию природы одной из величайших загадок Вселенной.
Звёзды ярко сияют из темноты космоса благодаря термоядерному синтезу, когда атомы сливаются вместе и высвобождают энергию. Но что, если есть другой способ привести звезду в действие?
Группа из трёх астрофизиков — Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине, Космин Илие и Джиллиан Паулин из Колгейтского университета — проанализировала изображения с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и обнаружила три ярких объекта, которые могут быть «тёмными звёздами».
Эти теоретические объекты намного больше и ярче нашего Солнца, а питают их аннигилирующие частицы тёмной материи. В случае подтверждения этого вывода тёмные звезды в дальнейшем помогут раскрыть природу тёмной материи — как известно, одной из самых глубоких нерешенных проблем во всей физике.
«Открытие нового типа звёзд само по себе довольно интересно, но открытие того, что это тёмная материя питает их, — это было бы грандиозно», — отмечает Фриз, директор Института теоретической физики Вайнберга и заведующая кафедрой физики в Техасском университете в Остине.
Хотя тёмная материя (ТМ) составляет около 25% Вселенной, её природа не ясна учёным. Они считают, что ТМ состоит из элементарных частиц особого типа, и поиск таких частиц продолжается.
Среди наиболее вероятных кандидатов — слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы). При столкновении эти теоретические частицы могут аннигилировать, отдавая тепло облакам водорода и превращая их в ярко сияющие тёмные звёзды.
Читайте также: Астрономы заглянули максимально далеко в прошлое
Если мы действительно найдём пока существующие лишь в теории сверхмассивных тёмные звёзды, это откроет возможность изучения ТМ на совершенно ином уровне, на основе наблюдаемых свойств таких объектов.
Чтобы выяснить, что же мы видим в данных JWST, нам нужно провести новые наблюдения за спектроскопическими свойствами объектов, включая провалы или превышение интенсивности их излучения в определённых диапазонах длин волн. Это может помочь подтвердить, действительно ли эти объекты-кандидаты являются тёмными звёздами.
Подтверждение существования тёмных звёзд может также помочь решить проблему, созданную JWST: кажется, что во Вселенной слишком много крупных галактик, чтобы соответствовать предсказаниям стандартной модели космологии.
«Более вероятно, что что-то в рамках стандартной модели нуждается в правке, донастройке, потому что предложение чего-то совершенно нового, как это сделали мы, всегда менее вероятно, — сказала Фриз. — Но если некоторые из этих объектов, которые выглядят как ранние галактики, на самом деле являются тёмными звёздами, моделирование формирования галактик лучше согласуется с наблюдениями».
Читайте также: Не чёрные и не дыры: что, если в центрах галактик располагаются ядра из тёмной материи?
Три кандидата в тёмные звёзды (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0) были первоначально идентифицированы как галактики. Используя спектроскопический анализ, команда JADES подтвердила, что объекты наблюдались в период от 320 до 400 миллионов лет после Большого взрыва, что делает их одними из самых ранних объектов, которые когда-либо наблюдались.
«Когда мы смотрим на данные "Уэбба", мы видим две конкурирующие возможности для этих объектов, — сказала Фриз. — Во-первых, это галактики, содержащие миллионы обычных звезд населения III. Во-вторых, это тёмные звёзды. И хотите верьте, хотите нет, но у одной тёмной звезды достаточно света, чтобы конкурировать с целой галактикой звёзд».
Теоретически тёмные звёзды могут стать в несколько миллионов раз больше массы нашего Солнца и могут сиять до 10 миллиардов раз ярче Солнца.
"Ещё в 2012 году мы предсказали, что сверхмассивные тёмные звёзды можно будет наблюдать с помощью JWST, — напоминает Илие, доцент кафедры физики и астрономии Колгейтского университета. — Как показано в нашей недавно опубликованной статье PNAS, мы уже нашли трёх кандидатов в сверхмассивные тёмные звёзды при анализе данных JWST для четырех объектов JADES с большим красным смещением, спектроскопически подтверждённых Кертисом-Лейком и другими, и я уверен, что мы скоро идентифицируем многие другие".
Идея существования тёмных звёзд возникла в серии бесед между Фризом и Дугом Споляром, в то время аспирантом Калифорнийского университета в Санта-Круз. Учёные задавались вопросом: что делает тёмная материя с первыми звёздами, образовавшимися во Вселенной? Затем они связались с Паоло Гондоло, астрофизиком из Университета Юты, который присоединился к команде.
После нескольких лет разработки исследователи опубликовали свою первую статью по этой теории в журнале Physical Review Letters в 2008 году.
Читайте также: Новая симуляция раскрыла несколько секретов тёмной материи
Вместе Фриз, Споляр и Гондоло разработали примерно такую модель: в центрах ранних протогалактик должны были быть очень плотные сгустки тёмной материи, а также облака водорода и газообразного гелия.
Когда такой газ остынет, он схлопнется и потянет за собой тёмную материю. По мере увеличения плотности облака частицы тёмной материи будут всё больше аннигилировать, добавляя всё больше и больше тепла, что предотвратит коллапс газа до достаточно плотного ядра, чтобы поддерживать синтез, как в обычной звезде.
Вместо этого она продолжала бы собирать больше газа и тёмной материи из окружающенго пространства, становясь большой, пухлой и намного ярче, чем обычные звёзды.
В отличие от обычных звёзд, источник энергии будет распределен равномерно, а не сконцентрирован в ядре. При достаточном количестве тёмной материи тёмные звёзды могут стать в несколько миллионов раз больше массы нашего Солнца и в 10 миллиардов раз ярче Солнца.
Статья авторов исследования вышла в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Читайте также: Астрономы разгадали загадку галактики, на 99,9% состоящей из тёмной материи
Мы пишем про достижения науки, суперсовременные технологии и их внедрение, рассказываем о том, каким будет будущее.
Если вам нравятся наши новости, подписывайтесь на наш канал и не забывайте ставить лайки. Эти нехитрые действия помогают нам в развитии и сборе средств для финансирования проекта.
Также наши сообщества есть в Telegram, Twitter*, ВК, Facebook*, "Одноклассниках". Приходите, если вы бываете там чаще, чем на Дзене. Ищите нас по названию "Восемь красных линий".
*запрещены или заблокированы в РФ.
