В самом сердце Млечного Пути происходят необычные вещи. Там, где должны пульсировать древние, выгорающие светила, сверкают молодые, будто только что родившиеся звезды. Ученые долго ломали голову над этой загадкой. Теперь у них есть дерзкое объяснение.
Центральная часть Галактики расположена в 26 тысячах световых лет от Земли. Этот регион отличается экстремальной плотностью как видимого, так и невидимого вещества. Там скапливаются миллионы звезд, газовые облака, пыль и, по расчетам, темная материя.
Именно в центре Млечного Пути астрономы столкнулись сразу с двумя аномалиями. Первая получила название «парадокс юности». Многие звезды в этой области выглядят слишком молодыми для своих размеров. Свет, который они излучают, говорит об их юном возрасте, но масса указывает, что они должны быть гораздо старше. По законам физики, такие массивные светила должны были давно погаснуть.
Вторая аномалия — «парадокс старости». В центре Галактики ученые ожидали найти большое скопление очень старых звезд, одних из первых в Млечном Пути. Но их там подозрительно мало. Вместо этого преобладают яркие и горячие объекты, словно они только начали свой звездный путь.
Найти правдоподобное объяснение двум явлениям оказалось непросто. Это попыталась сделать международная команда астрономов под руководством Исабель Джон (Isabelle John) из Стокгольмского университета в Швеции. Ученые решили взглянуть на эту проблему с неожиданной стороны — через взаимодействие звезд с темной материей.
Темная материя — гипотетическая невидимая субстанция, на долю которой приходится примерно 26,8 процента от всей энергии-массы Вселенной. Темная материя не светится, не отражает свет и не взаимодействует с другими частицами напрямую. Ее можно обнаружить лишь по косвенным признакам: гравитационному влиянию на звезды, галактики и космический микроволновой фон.
Джон и ее коллеги построили компьютерную модель, которая показала, что темная материя может не просто существовать рядом со звездами — она может проникать внутрь и менять их судьбу.
Согласно расчетам, гипотетические частицы темной материи при столкновении с атомными ядрами внутри звезды теряют энергию и там остаются. Такие частицы постепенно накапливаются и начинают аннигилировать — взаимно уничтожаться. При каждой аннигиляции высвобождается энергия, которая становится дополнительным источником света и тепла для звезды.
В обычных условиях звезды сияют благодаря термоядерным реакциям. Они превращают водород в гелий, выделяя энергию. Но этот процесс конечен. Когда ядро звезды исчерпывает запас водорода, теряется устойчивый баланс между давлением излучения и гравитацией, и звезда покидает главную последовательность.
В ядре начинаются сжатие и разогрев, запускаются реакции горения водорода в оболочке вокруг ядра, из‑за чего звезда расширяется и охлаждается — становится красным гигантом. Дальнейшая эволюция зависит от массы: маломассивные светила сбрасывают внешние оболочки и превращаются в белые карлики, а более массивные взрываются сверхновыми и образуют нейтронные звезды или черные дыры.
Если же у звезды появляется второй источник энергии — например, темная материя, — «топливо» пополняется, что может замедлить старение светила или даже остановить его.
Джон полагает, что особенно эффективно этот процесс работает в центре нашей Галактики, где плотность темной материи чрезвычайно высока. Звезды там могут захватывать и «перерабатывать» темную материю в энергию настолько эффективно, что это полностью компенсирует расход их обычного ядерного топлива. В теории такие звезды могут получать энергию практически бесконечно. То есть, если расчеты верны, звезды там могут существовать практически вечно.
Модель, построенная учеными, основана на простых и широко принятых предположениях о свойствах темной материи. Ее результаты совпадают с предыдущими наблюдениями — в целом похожи на то, что ученые уже раньше видели. Однако для окончательного подтверждения гипотезы нужны новые данные.
Чтобы проверить, действительно ли звезды могут «не стареть» из-за темной материи, астрономам предстоит собрать больше данных с телескопов и скорректировать свои расчеты, учитывая новые открытия. Только объединив более точные астрономические наблюдения с углубленным пониманием свойств темной материи, можно будет определить, действительно ли звезды в сердце Млечного Пути обрели «вечную молодость».
Научная работа опубликована в журнале Physical Review D.