В ранней Вселенной могут скрываться сверхмассивные звезды темной материи

Возможно, мы увидели первые намеки на существование странных звезд, питаемых темной материей. Эти так называемые темные звезды могли бы объяснить некоторые из самых загадочных объектов во Вселенной, а также дать нам подсказки об истинной природе самой темной материи.

Обычные звезды образуются, когда облако газа схлопывается само по себе, а центр становится настолько плотным, что вызывает ядерный синтез. Этот синтез питает звезду, перекачивая огромное количество тепла и энергии в окружающую плазму и газ.

Темные звезды могли образоваться аналогичным образом в ранней Вселенной, когда все было более плотным, особенно темная материя. Если бы в облаке, которое рухнуло и образовалась звезда, было бы достаточно темной материи, темная материя начала бы сталкиваться и аннигилировать задолго до начала термоядерного синтеза, выделяя достаточно энергии, чтобы темная звезда светилась и не давала ей дальнейшего коллапса.

Формирование темная звезда было бы довольно просто, и теперь команда под руководством Кэтрин Фриз в Техасском университете в Остине выяснили, как может выглядеть его упадок.

В массивной обычной звезде, как только водород и гелий заканчиваются, звезда продолжает синтезировать более тяжелые элементы, пока в конечном итоге не исчерпает топливо и не схлопнется, образуя черную дыру. Чем больше материала вы бросаете в звезду, тем быстрее происходит этот процесс.

Не так обстоит дело с темными звездами. “Вы можете взять обычную звезду солнечной массы, поместить в нее немного темной материи, чтобы источником энергии для этой звезды были не ядерные реакции, а аннигиляция темной материи, и вы могли бы продолжать ее кормить. Пока вы продолжаете кормить ее достаточным количеством темной материи, она никогда не пройдет через ядерную эволюцию, которая создаст ей проблемы”, – говорит Джордж Фуллер в Калифорнийском университете в Сан-Диего, который был частью команды Фриза.

Но благодаря общей теории относительности темная материя может спасти этих странных гигантов лишь на какое-то время. Согласно теории Альберта Эйнштейна, гравитационное поле объекта не растет прямо с массой — гравитация порождает еще большую гравитацию. В конце концов, объект становится настолько большим, что становится нестабильным, и любое небольшое возмущение может привести к тому, что гравитация возьмет верх и схлопнет его. черная дыра. Исследователи подсчитали, что для темных звезд это должно происходить при массах от 1000 до 10 миллионов масс Солнца.

Такой диапазон масс делает сверхмассивные темные звезды отличным претендентом на объяснение одной из величайших загадок ранней Вселенной: сверхмассивные черные дыры. Астрономы заметили огромные черные дыры на очень ранних этапах истории Вселенной, но неясно, как они могли образоваться так быстро. Одна из ведущих гипотез заключается в том, что они образовались не из обычных звезд, а из какого-то огромного «семени».

“Если у вас есть черная дыра массой 100 солнечных, как, черт возьми, вы собираетесь получить до 1 миллиарда солнечных масс за несколько сотен миллионов лет? Это просто невозможно, если вы создаете черные дыры только из стандартных звезд”, – говорит Фриз. «А если вы начинаете с довольно крупных семян, это действительно имеет значение». Темные звезды могли быть этими семенами.

Но это не единственная загадка ранней Вселенной, которую могли разгадать темные звезды. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) также обнаружил два других неожиданных типа объектов, получивших название маленькие красные точки и синие монстры соответственно. Оба они являются чрезвычайно далекими объектами, и непосредственным объяснением каждого из них является то, что они представляют собой компактные галактики.

Однако, как и сверхмассивные черные дыры, эти объекты расположены 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 у нас наблюдений Фриз и еще одна группа коллег подсчитали, что и маленькие красные точки, и синие монстры на самом деле могут быть отдельными чрезвычайно массивными темными звездами.

Если это темные звезды, в их свете должна быть подпись. Эта подпись связана с определенной длиной волны света, которую темные звезды, если они существуют, должны поглощать. Обычные звезды – и галактики, полные их – слишком горячие, чтобы поглощать этот свет.

Фриз и ее коллеги обнаружили намеки на это поглощение в первоначальных наблюдениях JWST некоторых из этих далеких объектов, но данные слишком зашумлены, чтобы с уверенностью сказать, что они там есть. «Сейчас среди всех кандидатов, которые у нас есть, есть две вещи, которые одинаково хорошо могут соответствовать спектрам: одна сверхмассивная темная звезда или целая галактика обычных звезд», — говорит Фриз. “Если вы видите этот провал, то наверняка это не одна галактика, полная нормальных звезд, это темная звезда. Но на данный момент все, что у нас есть, – это маленький жалкий намек”.

Мы пока не можем сказать, что точно обнаружили темные звезды, но это шаг вперед. «Это не какой-то глубокий и недвусмысленный дымящийся пистолет, но это действительно хорошо мотивированная вещь, которую они ищут, и есть некоторые аспекты того, что видит JWST, которые действительно указывают в этом направлении», — говорит Дэн Хупер в Университете Висконсин-Мэдисон.

Чтобы определить, действительно ли эти объекты являются темными звездами, нам понадобится больше наблюдений, в идеале с более высокой чувствительностью, но пока неясно, способен ли JWST достичь необходимого уровня детализации для галактик – или темных звезд – так далеко.

«Подтверждение существования темной звезды было бы большим открытием», — говорит Владимир Тахистов в Исследовательской организации ускорителей высоких энергий в Японии. По его словам, это может открыть новое окно наблюдений в фундаментальной физике. Это потому, что темные звезды могли бы не только разгадать космические загадки сверхмассивных черных дыр, маленьких красных точек и синих монстров, но мы также могли бы использовать их для исследования природы темной материи, о которой в настоящее время мы знаем очень мало.

Это особенно верно, если они являются семенами сверхмассивных черных дыр. Фриз, Фуллер и их команда подсчитали, что масса, при которой они схлопнутся и образуют черные дыры, зависит от массы Частицы темной материи аннигилируют в их основе. Это означает, что мы могли бы использовать сверхмассивные черные дыры для измерения или, по крайней мере, ограничения свойств темной материи. Конечно, сначала нам нужно подтвердить, что темные звезды вообще существуют. «Если такие вещи и существуют, то они редки», — говорит Хупер. «Редко, но необычно».

Тайны вселенной: Чешир, Англия

Проведите выходные с одними из самых ярких умов науки, исследуя тайны Вселенной в захватывающей программе, которая включает экскурсию, чтобы увидеть знаменитый телескоп Ловелла.

Темы: