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 предложениечего-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 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.