Звезды, питаемые темной материей вместо ядерного синтеза, могут раскрыть несколько загадок ранней Вселенной, и, возможно, мы обнаружили первые намеки на их реальность.
Экзотические звезды могут питаться темной материей remotevfx/Getty Images
Возможно, мы увидели первые намёки на существование странных звёзд, питаемых тёмной материей. Эти так называемые тёмные звёзды могли бы объяснить существование многих самых загадочных объектов во Вселенной, а также дать нам представление об истинной природе самой тёмной материи.
Обычные звёзды образуются, когда газовое облако сжимается, и его центр становится настолько плотным, что запускается ядерный синтез. Этот синтез питает звезду, перекачивая огромное количество тепла и энергии в окружающую плазму и газ.
Тёмные звёзды могли образоваться аналогичным образом в ранней Вселенной, когда всё было плотнее, особенно тёмная материя. Если облако, сколлапсировавшее в звезду, содержало достаточно тёмной материи, она начала бы сталкиваться и аннигилировать задолго до начала термоядерного синтеза, выделяя достаточно энергии, чтобы заставить тёмную звезду светиться и предотвратить её дальнейшее сжатие.
Образование темной звезды было бы довольно простым процессом, и теперь группа под руководством Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине выяснила, как может выглядеть ее конец.
В массивной обычной звезде, как только водород и гелий истощаются, звезда начинает синтезировать более тяжёлые элементы, пока в конце концов не исчерпает топливо и не сколлапсирует, образуя чёрную дыру. Чем больше материала попадает в звезду, тем быстрее происходит этот процесс.
Но для тёмных звёзд это не так. «Можно взять обычную звезду солнечной массы, поместить в неё немного тёмной материи, чтобы источником энергии для этой звезды были не ядерные реакции, а аннигиляция тёмной материи, и можно продолжать её подпитывать. Пока вы продолжаете подпитывать её достаточным количеством тёмной материи, она никогда не пройдёт ядерную эволюцию, которая приведёт её к беде», — говорит Джордж Фуллер из Калифорнийского университета в Сан-Диего, входивший в команду Фриза.
Но благодаря общей теории относительности тёмная материя может сохранять этих странных гигантов лишь определённое время. Согласно теории Альберта Эйнштейна, гравитационное поле объекта не растёт прямолинейно с ростом массы — гравитация порождает ещё большую гравитацию. В конце концов, объект становится настолько большим, что теряет устойчивость, и любое небольшое возмущение может привести к тому, что гравитация возьмёт верх и сколлапсирует в чёрную дыру. Исследователи подсчитали, что для тёмных звёзд это должно происходить при массах от 1000 до 10 миллионов солнечных.
Такой диапазон масс делает сверхмассивные тёмные звёзды отличным кандидатом на объяснение одной из величайших загадок ранней Вселенной: сверхмассивных чёрных дыр. Астрономы обнаружили огромные чёрные дыры на очень раннем этапе истории Вселенной, но неясно, как они могли образоваться так быстро. Одна из ведущих гипотез заключается в том, что они образовались не из обычных звёзд, а из некоего гигантского «семени».
«Если у вас есть чёрная дыра массой в 100 солнечных, как, чёрт возьми, вы собираетесь достичь массы в миллиард солнечных за несколько сотен миллионов лет? Это просто невозможно, если вы создаёте чёрные дыры только из обычных звёзд», — говорит Фриз. «А вот если вы начинаете с довольно крупных зародышей, это действительно имеет значение». Тёмные звёзды могут быть этими зародышами.
Но это не единственная загадка ранней Вселенной, которую могут разгадать тёмные звёзды. Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) также обнаружил два других неожиданных типа объектов, получивших прозвища «маленькие красные точки» и «голубые монстры» соответственно. Оба они находятся на чрезвычайно дальних расстояниях, и первое объяснение их существования заключается в том, что они представляют собой компактные галактики.
Однако, как и сверхмассивные чёрные дыры, эти объекты находятся слишком далеко и, следовательно, слишком рано в истории Вселенной, чтобы мы могли легко объяснить, как они образовались – просто не было достаточно времени. На основе имеющихся наблюдений Фриз и другая группа его коллег вычислили, что и маленькие красные точки, и синие монстры на самом деле могут быть отдельными, чрезвычайно массивными тёмными звёздами.
Если это тёмные звёзды, в их свете должна быть определённая сигнатура. Эта сигнатура связана с определённой длиной волны света, которую тёмные звёзды, если они существуют, должны поглощать. Обычные звёзды – и галактики, полные ими, – слишком горячие, чтобы поглощать этот свет.
Фриз и её коллеги обнаружили намёки на это поглощение в первоначальных наблюдениях нескольких из этих далёких объектов с помощью телескопа JWST, но данные слишком зашумлены, чтобы утверждать наверняка. «Сейчас из всех кандидатов, которые у нас есть, есть два объекта, которые могут одинаково хорошо соответствовать спектрам: одна сверхмассивная тёмная звезда или целая галактика обычных звёзд», — говорит Фриз. «Если вы видите этот провал, то это точно не галактика, полная обычных звёзд, это тёмная звезда. Но пока у нас есть лишь жалкий намёк».
Мы пока не можем сказать, что точно обнаружили тёмные звёзды, но это шаг вперёд. «Это не какой-то абсолютный, неопровержимый довод, но это действительно обоснованный объект их исследований, и некоторые аспекты наблюдений JWST указывают на это», — говорит Дэн Хупер из Висконсинского университета в Мадисоне.
Чтобы определить, являются ли эти объекты на самом деле темными звездами, нам понадобятся дополнительные наблюдения, в идеале с более высокой чувствительностью, но пока не ясно, способен ли JWST достичь необходимого уровня детализации для галактик (или темных звезд) на таком большом расстоянии.
«Подтверждение существования тёмных звёзд стало бы важным открытием», — говорит Владимир Тахистов из Исследовательской организации по ускорительным физике высоких энергий в Японии. По его словам, это может открыть новое окно для наблюдений в фундаментальной физике. Это связано с тем, что тёмные звёзды могут не только раскрыть тайны космоса, связанные со сверхмассивными чёрными дырами, маленькими красными точками и синими монстрами, но и использовать их для исследования природы тёмной материи, о которой мы пока знаем очень мало.
Это особенно актуально, если они являются затравками сверхмассивных чёрных дыр. Фриз, Фуллер и их команда подсчитали, что масса, при которой они коллапсируют и образуют чёрные дыры, зависит от массы частиц тёмной материи, аннигилирующих в их ядрах. Это означает, что мы можем использовать сверхмассивные чёрные дыры для измерения или, по крайней мере, ограничения свойств тёмной материи. Конечно, сначала нам нужно подтвердить, что тёмные звёзды вообще существуют. «Если такие объекты существуют, они редки», — говорит Хупер. «Редки, но необычайны».
arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2511.08578
arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2511.08477
Тайны вселенной: Чешир, Англия
Проведите выходные в компании самых ярких умов науки и исследуйте тайны Вселенной в рамках увлекательной программы, включающей экскурсию к знаменитому телескопу Ловелла.
Узнать больше
Источник: www.newscientist.com
