Новые данные, полученные с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST), открывают возможность существования совершенно нового класса небесных тел — так называемых «тёмных звёзд». Эти гипотетические объекты, о которых ранее говорили лишь в теоретических моделях, могли появиться в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва и представляют собой гигантские облака водорода и гелия, источником энергии для которых служила аннигиляция частиц тёмной материи.
Анализ, проведённый международной командой исследователей под руководством Космина Илие из Университета Колгейта в сотрудничестве с коллегами из Техасского университета в Остине и Университета Пенсильвании, указывает на четыре крайне далёких объекта, чьи спектры и морфология согласуются с предсказаниями для сверхмассивных тёмных звёзд. Эти объекты — JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-z13-0 и JADES-GS-z11-0 — были обнаружены в рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), охватывающей самые древние участки неба, где впервые зажглись источники света после эпохи тьмы.
Тёмные звёзды, согласно модели, являются колоссальными и относительно «пухлыми» объектами — в отличие от обычных звёзд, где энергия выделяется при термоядерном синтезе, в них тепло создаётся при аннигиляции слабовзаимодействующих массивных частиц тёмной материи. Эти частицы, сталкиваясь, высвобождают энергию, предотвращая гравитационный коллапс облака и заставляя его излучать свет.
По расчётам, такие звёзды могли иметь массы в миллионы раз больше Солнца и размеры, сравнимые с орбитой Земли. Они могли существовать лишь в ранней Вселенной, где концентрация тёмной материи была достаточно высокой для поддержания аннигиляционных процессов. После того как запасы тёмной материи исчерпывались, такие объекты быстро коллапсировали, оставляя после себя зародыши сверхмассивных чёрных дыр. Это открытие может объяснить, как уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной появились квазары — мощнейшие источники света, питаемые чёрными дырами с массами миллиардов Солнц.
Основная особенность предполагаемых тёмных звёзд заключается в характерных спектральных признаках. В частности, они должны демонстрировать область поглощения на длине волны около 1640 ангстрем (He II), обусловленную присутствием ионизированного гелия. В спектре объекта JADES-GS-z14-0 команда действительно обнаружила слабый провал на этой длине волны — сигнал с отношением сигнал/шум около 2, который может быть первым наблюдательным подтверждением существования звезды, питаемой тёмной материей.
Ранее теория тёмных звёзд была предложена физиками Кэтрин Фриз, Дугом Сполиаром и Паоло Гондоло. В 2008 году они опубликовали статью в *Physical Review Letters*, где впервые описали, как аннигиляция частиц тёмной материи в ранней Вселенной могла предотвратить быстрое сжатие протозвёздных облаков, превращая их в длительно светящиеся объекты. Позднее, в публикации Astrophysical Journal (2010), были предложены два механизма, объясняющих, как такие звёзды могли стать сверхмассивными и эволюционировать в чёрные дыры.
Новые данные JWST дают возможность проверить эти предсказания экспериментально. Обнаруженные объекты не только демонстрируют ожидаемые спектральные свойства, но и обладают компактной морфологией, характерной для отдельных звёздных систем. Один из кандидатов — JADES-GS-z14-1 — настолько компактен, что неразрешим даже для мощнейших инструментов JWST, что говорит о его звёздной, а не галактической природе. Остальные три объекта можно описать как сверхмассивные звёзды, окружённые ионизированным газом — своеобразной туманностью из водорода и гелия.
Дополнительные наблюдения с помощью радиоинтерферометра ALMA позволили зарегистрировать эмиссионные линии кислорода в спектре одного из объектов. Это указывает на то, что некоторые тёмные звёзды могли существовать в окружении, уже обогащённом тяжёлыми элементами, что предполагает взаимодействие или слияние с ранними протогалактиками. Такая комбинация подтверждает идею о том, что тёмные и обычные звёзды могли сосуществовать и даже эволюционировать совместно в общих гало тёмной материи.
Если существование тёмных звёзд будет подтверждено, это станет настоящим прорывом в астрофизике. Такие объекты станут естественной лабораторией для изучения свойств частиц тёмной материи, которые до сих пор не удалось зафиксировать ни в одном из экспериментов на Земле. Это также поможет ответить на фундаментальные вопросы о происхождении первых источников света и механизмах формирования сверхмассивных чёрных дыр.
Открытие JWST демонстрирует, что граница между теоретической физикой и наблюдательной астрономией становится всё тоньше. Современные телескопы позволяют не просто заглядывать в прошлое Вселенной, но и тестировать гипотезы, касающиеся самых загадочных компонентов космоса — тех, которые составляют большую часть его массы, но остаются невидимыми.
Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), стало одним из важнейших шагов на пути к новой области астрономии — изучению звёзд, питаемых тёмной материей. Если дальнейшие наблюдения подтвердят существование таких объектов, они могут изменить наше понимание того, как зародились первые галактики и какие силы определяли судьбу молодой Вселенной.
