Открытие нового типа звезд поможет разгадать загадку темной материи

Звезды ярко вспыхивают во тьме космоса благодаря термоядерному синтезу — соединению атомов с выделением энергии. Но что если существует другой способ питания звезды?

Группа из трех астрофизиков — Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине в сотрудничестве с Космином Илье и Джиллиан Паулин '23 из Колгейтского университета — проанализировала изображения, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), и обнаружила три ярких объекта, которые могут быть «темными звездами» — теоретическими объектами, гораздо большими и более яркими, чем наше Солнце, которые питаются за счет аннигиляции частиц темной материи. Если это подтвердится, то темные звезды смогут раскрыть природу темной материи — одной из самых глубоких нерешенных проблем во всей физике.

Открытие нового типа звезд само по себе довольно интересно, но обнаружение темной материи, которая приводит их в движение, было бы огромным событием, — сказала Фриз, директор Института теоретической физики Вайнберга и заведующий кафедрой физики Джеффа и Гейл Кодоски в UT Austin.

Хотя темная материя составляет около 25% Вселенной, ее природа до сих пор остается загадкой. Ученые полагают, что она состоит из нового типа элементарных частиц, и поиск таких частиц продолжается. Среди ведущих кандидатов — слабо взаимодействующие массивные частицы. При столкновении эти частицы аннигилируют, выделяя тепло в коллапсирующие облака водорода и превращая их в ярко светящиеся темные звезды. Идентификация сверхмассивных темных звезд откроет возможность получения знаний о темной материи на основе их свойств.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Последующие наблюдения JWST за спектроскопическими свойствами объектов, включая провалы или превышение интенсивности света в определенных частотных диапазонах, помогут подтвердить, действительно ли эти объекты-кандидаты являются темными звездами.

Подтверждение существования темных звезд может также помочь решить проблему, созданную JWST: похоже, что во Вселенной слишком много крупных галактик, что не соответствует предсказаниям стандартной модели космологии.

Более вероятно, что что-то в рамках стандартной модели нуждается в доработке, поскольку предложение чего-то совершенно нового, как это сделали мы, всегда менее вероятно, — заметила Фриз.

Но если некоторые из этих объектов, похожих на ранние галактики, на самом деле являются темными звездами, то моделирование формирования галактик лучше согласуется с наблюдениями.

Три кандидата в темные звезды (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0) были первоначально идентифицированы как галактики в декабре 2022 года в ходе расширенного глубокого внегалактического обзора JWST (JADES). С помощью спектроскопического анализа команда JADES подтвердила, что эти объекты наблюдались в период от 320 до 400 млн. лет после Большого взрыва, что делает их одними из самых ранних объектов, которые когда-либо наблюдались.

Когда мы смотрим на данные Джеймса Уэбба, то видим две конкурирующие возможности для этих объектов, — заявила Фриз.

Одна из них заключается в том, что это галактики, содержащие миллионы обычных звезд III поколения. Другая — что это темные звезды. И хотите верьте, хотите нет, но одна темная звезда имеет достаточно света, чтобы конкурировать с целой галактикой звезд».

Теоретически темные звезды могут вырасти до массы, в несколько миллионов раз превышающей массу нашего Солнца, и быть в 10 миллиардов раз ярче Солнца.

Мы еще в 2012 году предсказали, что сверхмассивные темные звезды можно будет наблюдать с помощью JWST, — сказал Илье, доцент кафедры физики и астрономии Колгейтского университета.

Как показано в нашей недавно опубликованной статье в PNAS, мы уже нашли три кандидата в сверхмассивные темные звезды при анализе данных JWST для четырех объектов JADES с высоким красным смещением, спектроскопически подтвержденных Кертис-Лейком и др.

Идея создания темных звезд возникла в ходе беседы между Фризом и Дагом Споляром, в то время аспирантом Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Они задались вопросом: Что делает темная материя с первыми звездами, формирующимися во Вселенной? Затем они обратились к Паоло Гондоло, астрофизику из Университета штата Юта, который присоединился к команде. После нескольких лет разработки они опубликовали свою первую работу по этой теории в журнале Physical Review Letters в 2008 году.

Вместе Фриз, Споляр и Гондоло разработали модель, которая выглядит следующим образом: в центрах ранних протогалактик должны существовать очень плотные сгустки темной материи, а также облака газообразного водорода и гелия. При охлаждении газ коллапсирует и увлекает за собой темную материю. По мере увеличения плотности частицы темной материи все больше аннигилируют, выделяя все больше и больше тепла, что не позволяет газу разрушиться до плотного ядра, способного поддерживать термоядерный синтез, как в обычной звезде. Вместо этого она будет продолжать накапливать газ и темную материю, становясь большой, пухлой и гораздо более яркой, чем обычные звезды. В отличие от обычных звезд, источник энергии будет равномерно распределен, а не сосредоточен в ядре.

При наличии достаточного количества темной материи темные звезды могут вырасти до массы, в несколько миллионов раз превышающей массу нашего Солнца, и быть в 10 миллиардов раз ярче Солнца.

14.07.2023

Космос

Кислородом не пахнет: ученые обнаружили следы жизни в космосе
Кислородом не пахнет: ученые обнаружили следы жизни в космосе

Астрономы обнаружили в атмосфере экзоплан...

Углекислый тупик: почему Марс променял океаны на пустыню
Углекислый тупик: почему Марс променял океаны на пустыню

Марсоход NASA Curiosity обнаружил следы углеро...

Не по учебнику: открыта первая планета с орбитой под 90 градусов
Не по учебнику: открыта первая планета с орбитой под 90 градусов

Астрономы обнаружили необычную планету, котора...

Планета-загадка: что скрывает раскаленный двойник Земли
Планета-загадка: что скрывает раскаленный двойник Земли

Ученые из Юго-Западного исследовательског...

Космический фильтр: почему Земля недополучает углеродистые метеориты
Космический фильтр: почему Земля недополучает углеродистые метеориты

Международная группа ученых, возможно, нашла о...

Мусорный пояс Земли: назрело время уборки
Мусорный пояс Земли: назрело время уборки

Пол Костек, старший член IEEE и системный...

Космический маяк: астрономы застали черную дыру за необычной работой
Космический маяк: астрономы застали черную дыру за необычной работой

В центре большинства галактик скрываются сверх...

Нижегородские ученые пытаются поймать темную материю
Нижегородские ученые пытаются поймать темную материю

Темная материя — загадка Вселенной....

Субнептуны: как планеты выживают в огненном кольце звезд
Субнептуны: как планеты выживают в огненном кольце звезд

Ученые из Университета штата Пенсильвания...

Часы из космоса: что тикает в созвездии Большой Медведицы
Часы из космоса: что тикает в созвездии Большой Медведицы

Международная группа астрономов, включая учено...

Звездный детектив: кто выжил в кипящей Вселенной
Звездный детектив: кто выжил в кипящей Вселенной

Группа ученых из Мичиганского университет...

Тепловые карты Луны покажут, что скрывают темные кратеры в тени
Тепловые карты Луны покажут, что скрывают темные кратеры в тени

26 февраля тепловизионная камера, созданная уч...

Марсианские окаменелости: что скрывает Красная планета
Марсианские окаменелости: что скрывает Красная планета

Четыре миллиарда лет назад на Земле ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Когда папе грустно: как депрессия отца меняет детей
Когда папе грустно: как депрессия отца меняет детей
24,6% КПД и 3000 сгибаний: что еще показали испытания гибких солнечных элементов
24,6% КПД и 3000 сгибаний: что еще показали испытания гибких солнечных элементов
Как Counterfactual SMOTE улучшает диагностику редких заболеваний
Как Counterfactual SMOTE улучшает диагностику редких заболеваний
Ученые нашли связь между океаном и экстремальными дождями в Китае
Ученые нашли связь между океаном и экстремальными дождями в Китае
NatComm: Электроны в антиферромагнетиках ведут себя не по правилам
NatComm: Электроны в антиферромагнетиках ведут себя не по правилам
Шоколадный тест: как социальный статус меняет наше пищевое поведение
Шоколадный тест: как социальный статус меняет наше пищевое поведение
Нож не нужен: простой тест спасает от инсульта без операции
Нож не нужен: простой тест спасает от инсульта без операции
Sensors: Радары спасают китов от столкновений с лодками
Sensors: Радары спасают китов от столкновений с лодками
Почему одни пары работают как часы, а другие — как разбитый будильник
Почему одни пары работают как часы, а другие — как разбитый будильник
Сезон отстрела: как доступность ружей повышает кривую насилия
Сезон отстрела: как доступность ружей повышает кривую насилия
Генетика против статистики: новый алгоритм спасает тех, кого пропускают врачи
Генетика против статистики: новый алгоритм спасает тех, кого пропускают врачи
Кипяток из недр: зачем химики изучают байкальские термы
Кипяток из недр: зачем химики изучают байкальские термы
Сахар и жир: чем питается самая агрессивная опухоль мозга
Сахар и жир: чем питается самая агрессивная опухоль мозга
Химики из Санкт-Петербурга научились добывать лантаноиды без перегрева
Химики из Санкт-Петербурга научились добывать лантаноиды без перегрева
Ученые поняли, как клетки «переваривают» сахар
Ученые поняли, как клетки «переваривают» сахар

Новости компаний, релизы

Оперировать в VR: студенты придумали симулятор для хирургов
Космический рывок: что скрывает новый нацпроект
Без готовых рецептов: эксперты — о том, как работать с молодежью
Больные вопросы: что мешает лечить ревматизм в России
Кто рулит квадрокоптером лучше всех? Итоги турнира «Новая высота»