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