Англо-американская команда ученых, проводившая исследование, назвала их темными карликами. Не потому, что они не излучают свет — как раз наоборот, — а из-за их необычной связи с темной материей, одной из самых загадочных вещей во Вселенной.

Результаты опубликованы в издании Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Мы считаем, что 25% Вселенной состоит из материи, которая не испускает свет. Она невидима для наших глаз и телескопов, и мы обнаруживаем ее только по гравитационным эффектам. Поэтому и называем темной материей, — объясняет Джереми Сакстин, профессор физики Гавайского университета и один из авторов исследования.

Мы знаем, что темная материя существует и как себя ведет, но до сих пор не понимаем, из чего она состоит. За последние 50 лет появилось множество гипотез, но ни одна не получила убедительных доказательств. Работа Сакстина и его коллег важна потому, что предлагает конкретные способы выйти из этого тупика.

Среди главных кандидатов на роль темной материи — вимпы  (WIMPs, слабовзаимодействующие массивные частицы). Они почти не контактируют с обычной материей: проходят сквозь нее, не излучают свет, не реагируют на электромагнитные силы и проявляют себя только через гравитацию. Именно такие частицы нужны, чтобы могли существовать темные карлики.

Темная материя взаимодействует гравитационно, поэтому может накапливаться внутри звезд. Если ее становится много, частицы могут сталкиваться и аннигилировать, выделяя энергию, которая разогревает звезду, — говорит Сакстин.

Аннигиляция — процесс, при котором частица и античастица сталкиваются и превращаются в энергию (например, в фотоны). В случае темной материи вимпы могут аннигилировать друг с другом, выделяя тепло.

Обычные звезды, вроде нашего Солнца, светятся благодаря термоядерным реакциям в ядре. Но темные карлики — совсем другие. Их масса примерно в 12 раз меньше солнечной, и этого недостаточно для запуска термоядерного синтеза. Такие объекты обычно едва светятся и называются коричневыми карликами.

Но если коричневый карлик находится в зоне с высокой концентрацией темной материи — например, в центре галактики — он может превратиться в темного карлика. Чем больше вокруг темной материи, тем больше ее попадает внутрь звезды, и тем сильнее разогрев от аннигиляции частиц.

Однако это работает только с определенным типом темной материи — массивными частицами, способными аннигилировать. Другие кандидаты, например аксионы или стерильные нейтрино, слишком легкие и не дадут такого эффекта.

Как отличить темного карлика от обычного? Сакстин предлагает искать литий-7. В обычных звездах он быстро выгорает, а в темных карликах — сохраняется. Телескоп Джеймс Уэбб уже может обнаруживать такие объекты.

Если темные карлики найдут, это станет серьезным аргументом в пользу вимпов.

Это не будет стопроцентным доказательством, но сильно сузит круг вариантов. Темная материя окажется либо вимпом, либо чем-то очень на него похожим, — заключает Сакстин.

Если гипотеза подтвердится, это не просто продвинет фундаментальную науку, но и даст практические инструменты:

• Новые методы поиска темной материи — если темные карлики существуют, их можно использовать как «детекторы».
• Уточнение моделей эволюции звезд — понимание, как темная материя влияет на их формирование и жизнь.
• Развитие астрофизических технологий — методы обнаружения сверххолодных объектов пригодятся и в других исследованиях.

Отметим, что гипотеза строится на двух допущениях:

1. Темная материя состоит из вимпов (что пока не доказано).
2. Их концентрация в центрах галактик достаточна для образования темных карликов.

Если хотя бы одно окажется неверным, вся модель рухнет.

Ранее ученые назвали вимпы идеальными кандидатами на роль темной материи.