Астрономы, возможно, обнаружили странное солнце, питаемое темной материей

В давние давние времена - а речь идет действительно об очень давних временах, спустя некоторое время после Большого взрыва - Вселенная могла быть усеяна странными звездными монстрами. Достаточно огромные, способные поглотить всю нашу Солнечную систему, эти звезды питались не за счет ядерного синтеза, как "нормальные" звезды, а за счет темной материи. А если точнее - частицы этого загадочного вещества в момент самоаннигиляции превращались в топливо для так называемых "темных звезд".

Астрофизики утверждают, что им удалось обнаружить свидетельства существования звезд, питающихся за счет аннигиляции частиц темной материи. Если это действительно так, то возможно нам удастся разгадать космическую загадку, почему сверхмассивные черные дыры появились так рано.Изображение предоставлено онлайн-порталом ESA / Webb, NASA & CSA, Дж. Ли и команда PHANGS-JWST

Ну, по крайней мере, такова идея. Но когда Кэтрин Фриз, астрофизик-теоретик из Техасского университета в Остине, впервые озвучила ее на конференции в 2007 году, она не вызвала особого восторга. "Я подслушала, как некоторые аспиранты назвали нас сумасшедшими", - говорит она.

Тем не менее, концепция темных звезд запала Фриз в душу. За последние 16 лет она и ее коллеги смогли расширить свое понимание этих манящих гипотетических объектов. Проблема заключалась в том, что найти доказательства существования этих объектов по-прежнему не представлялось возможным.

До недавних пор Фриз и ее коллеги рассказывали о потенциальных свидетельствах: необычных галактиках, обнаруженных новым телескопом. "Возможно, некоторые из этих объектов на самом деле вовсе не галактики, а одиночные звезды - темные звезды", - говорит член команды Джиллиан Полин, работающая в то время в Колгейтском университете в Нью-Йорке.

Однако многие ученые-астрономы до сих пор сомневаются в этой теории. "Это очень спорная концепция, - говорит Космин Илие (Cosmin Ilie) из Колгейтского университета, руководитель команды. Но если темные звезды действительно существуют, они станут не только доказательством существования особого вида темной материи. Они также могут помочь решить одну из самых больших проблем в космологии - таинственное происхождение сверхмассивных черных дыр, которые управляют галактической эволюцией".

Однако многие ученые-астрономы до сих пор сомневаются в этой теории. "Это очень спорная концепция, - говорит Космин Илие (Cosmin Ilie) из Колгейтского университета, руководитель команды. Но если темные звезды действительно существуют, они станут не только доказательством существования особого вида темной материи. Они также могут помочь решить одну из самых больших проблем в космологии - таинственное происхождение сверхмассивных черных дыр, которые управляют галактической эволюцией".

 Наша Вселенная наполнена темной материей. Мы не можем ее увидеть, потому что она не взаимодействует со светом, но мы знаем, что она существует. Она проявляет себя, искривляя пространство-время, создавая эффект линзирования, который искажает наше представление о других объектах, доступных нашему взору. "У нас есть масса доказательств гравитационной природы темной материи", - говорит Перл Сэндик из Университета Юты. "Она существует, и мы знаем, где она находится".

Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить Землю из Солнечной системы

 Благодаря этим наблюдениям стало известно, что темная материя должна составлять около 27 процентов Вселенной. Около 68 процентов приходится на столь же необъяснимую темную энергию, которая способствует расширению Вселенной, и всего лишь 5 процентов - на обычную материю, из которой состоит все вокруг нас - стулья, столы, люди - да, что угодно.

Кандидаты на роль тёмной материи

Мы не знаем точно, что такое темная материя, хотя на этот счет у астрофизиков есть некоторые идеи. В конце XX века был предложен новый вариант - слабо взаимодействующая массивная частица, или WIMP. Будучи в 1000 раз массивнее протонов, WIMP не способны взаимодействовать с обычной материей. Но они могли бы воздействовать друг с другом - и очень "бурно". Две такие частицы в момент контакта самоаннигилируют, порождая всплеск энергии в виде гамма-излучения.

Благодаря этой теории можно предсказать, как темная материя вела себя в ранней Вселенной. Сразу после Большого взрыва, около 13,8 миллиарда лет назад, Вселенная была заполнена массой частиц, не имевших сложных структур. Темная материя движется несколько медленнее, чем обычная, поэтому под воздействием гравитации она быстрее собиралась в сгустки.

В первые 200 миллионов лет существования нашей Вселенной образовались огромные скопления темной материи, называемые мини-гало. В конце концов, они втянули в себя и обычную материю, из которой образовались звезды и галактики.

Фриз подумала, что если эти мини-гало были наполнены вимпами, то это могло привести к интересному процессу, схожему с зарождением обычной звезды. "Мы поняли, что у нас есть процесс, который астрономическое сообщество проморгало, - говорит она. Это была звезда совершенно нового типа.Темные звезды: Астрофизики, вероятно, обнаружили странное солнце, питаемое темной материей. Аннигиляция темной материи, вероятно, явилась топливом для первых звезд во Вселенной, позволив им вырасти в гигантские объекты, в миллионы раз превосходящие по массе и в миллиарды раз по яркости наше Солнце. Изображение представлено журналом "Астрономия": (Roen Kelly after NSF)

Формирование звезд происходит в результате конденсации разрушающегося облака пыли и газа, состоящего из обычной материи. Гравитация сжимает атомы водорода и гелия, в итоге достигая порога, за которым начинается ядерный синтез и формируется ядро звезды. В звездах сила гравитации, направленная внутрь, в полной мере уравновешивается силой, направленной наружу в результате термоядерного синтеза.

Но если плотность темной материи в некоторых гало достаточно высока, аннигилирующие вимпы могут производить достаточно энергии, чтобы сила, направленная наружу, не позволила обычной материи достичь критической плотности. В этом случае ядерный синтез никогда не начнется - вместо него образуется объект совершенно иного класса, который стабилизируется при гораздо больших размерах, возможно, с диаметром, подобным диаметру орбиты Сатурна, и массой, в миллион раз превышающей массу нашего Солнца. "Есть источник тепла, который не дает облаку разрушаться дальше", - говорит Фриз. " Его питает темная материя".

Содержание темной материи в таких звездах будет невелико - всего 0,1 процента. Но этого было бы достаточно, чтобы каждую секунду происходили триллионы и триллионы аннигиляций, заставляя звезду сиять невероятно ярким белым или голубым светом. В этом смысле термин "темная звезда" ошибочен. В самых крайних проявлениях в ранней Вселенной тёмные звёзды могли вырастать поистине гигантскими и затмевать собой даже целые галактики. "Они могли быть в миллиард раз ярче Солнца", - говорит Фриз.

Фриз опубликовала серию работ о темных звездах, первая из которых, написанная совместно с ее коллегами Дугласом Споляром и Паоло Гондоло, появилась в 2008 году. Дэн Хупер из Чикагского университета вспоминает, что после их публикации разгорелись "бурные дебаты". "Я ходил на конференции и слышал, как люди буквально орали друг на друга", - говорит он. "Я не понимал, кто из них прав, а кто заблуждается".

Впрочем, эта идея получила определенную поддержку. "Я думаю, что это очень крутая идея, которая действительно возможна", - говорит Сэндик. Это также далеко не единственная экзотическая звезда, которая была обнаружена (см. "Самые странные звезды", в конце статьи).

Есть все основания полагать, что эти гипотетические звезды действительно существуют. Помимо того, что это совершенно новый вид звезд, темные звезды могут предложить решение большой космологической загадки: происхождение сверхмассивных черных дыр. Это монструозные черные дыры, настолько плотные, что даже свет не может их покинуть и находятся они в центрах галактик.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

Загадка сверхмассивных черных дыр

Когда мы смотрим на далекую раннюю Вселенную, мы видим галактики возрастом менее миллиарда лет, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллиард раз больше массы нашего Солнца. Как эти черные дыры выросли до таких размеров, остается загадкой. "Появление настолько массивных черных дыр в самой ранней Вселенной - серьезная проблема, - говорит Мухаммад Латиф из Университета Объединенных Арабских Эмиратов. Возможно, они выросли в результате слияния более мелких черных дыр, но, как оказалось, для этого не было достаточно времени".

Темные звезды могут дать ответ на этот вопрос, поскольку они могут оказаться неуловимыми "семенами" сверхмассивных черных дыр. В большинстве своем они жили быстро и умерли молодыми, просуществовав всего несколько миллионов лет. Более мелкие темные звезды, масса которых, примерно, в 100 раз превышает массу нашего Солнца, могли бы возродиться как обычные звезды после прекращения аннигиляции вимпов. "Как только их топливо из темной материи закончится, может включиться термоядерный синтез", - говорит Фриз.Далекие красные пятна, замеченные JWST, могут быть экзотическими темными звездами. NASA/ESA

Но все темные звезды, когда у них полностью закончится топливо, превратятся в черные дыры. В случае сверхмассивных темных звезд, учитывая их огромные массы, возникающие черные дыры будут столь же массивными, вплоть до миллиона солнечных масс. "Мы фактически решили главную проблему существования сверхмассивных черных дыр", - говорит Фриз. "Если вы начнете с наших темных звезд, то получите "семена" с массой в миллионы солнечных масс, которые могут слиться воедино и создать черные дыры с массой в миллиарды масс нашего Солнца".

Однако в 2010-х годах версия о темных звездах зашла в тупик. Появились другие кандидаты на темную материю, и о гипотезе с ВИМПами стали постепенно забывать. Поскольку доказательств существования ВИМПов так и не появилось, многие физики решили использовать для объяснения темной материи более легкие теоретические частицы, называемые аксионами. Но аксионы оказались слишком легкими, чтобы генерировать достаточно энергии для образования темных звезд. На этом фоне другая группа ученых, в том числе Бернард Карр из Лондонского университета королевы Марии, считает, что темная материя вовсе не состоит из загадочных частиц, а состоит из черных дыр, образовавшихся в ранней Вселенной и называемых первозданными черными дырами.

Далекие красные пятна, замеченные JWST, могут быть экзотическими темными звездами. Очень скоро JADES получит вторую порцию собранных данных, включая подробные спектры загадочных объектов, а именно, измерения излучаемого ими света в различных диапазонах длин волн. И вполне вероятно, что нам удастся обнаружить признаки ионизированной формы гелия, известной как гелий-II.NASA/ESA

Тем не менее, Фриз не оставляла попыток заглянуть в будущее темных звезд, и вот теперь ситуация изменилась к лучшему. В 2022 году она и ее коллеги провели расчеты, согласно которым другие частицы-кандидаты в темную материю тоже могут образовывать темные звезды. "Это не обязательно должны быть вимпы, - говорит она. Существует альтернативный вариант, когда темная материя по-прежнему рассматривается как частица, но взаимодействующая сама с собой. Концепция о самовзаимодействующей темной материи наиболее популярна в настоящее время, говорит Фриз.

И вот, в начале прошлого года, самый дальнозоркий "небесный наблюдатель" заметил кое-что странное.

Следы темных звезд

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), запущенный в декабре 2021 года, может заглянуть вглубь истории нашей Вселенной благодаря огромному позолоченному зеркалу, работающему в инфракрасном свете. Он уже увидел галактики, появившиеся в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной, что случилось гораздо раньше, по сравнению с галактиками, замеченными любым другим телескопом. Эти результаты показали, что в ранней Вселенной намного больше ярких объектов, чем ожидалось. "Нет никаких сомнений в том, что результаты JWST указывают на то, что происходит что-то странное, - говорит Карр. Ожидалось, что галактики начнут развиваться только через миллиард лет после Большого взрыва, но JWST, похоже, обнаружил множество галактик, формирующихся намного раньше".

В июне прошлого года астрономы, участвующие в программе JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), сообщили о обнаружении "горстки" новых галактик-кандидатов, которые оказались самыми ранними: одна из них сформировалась всего через 320 миллионов лет после Большого взрыва. Однако недавно Фриз и ее коллеги опубликовали препринт - исследование, которое еще не прошло рецензирование, - в котором предположили, что это могут быть вовсе не галактики. Они считают, что объекты, которые в JWST выглядят как красные пятна, — это самостоятельные темные звезды.

Ученые объясняют это тем, что три объекта имеют округлую форму, как у звезды, и совершенно не похожи на галактики. Кроме того, эти объекты вписываются в модель темных звезд, а количество излучаемого света соответствует ожидаемому. По оценкам экспертов, масса двух из них в миллион раз больше массы нашего Солнца, а одного - в два раза меньше.

Моделирование показало, что Вселенная может обладать сознанием

Не исключено, что это будут очень маленькие галактики, которые из-за недостаточного разрешения могут выглядеть как отдельные точечные источники. "Мы по-прежнему склоняемся к более простому варианту", - говорит Сандро Таккелла из Кембриджского университета, который входит в команду JADES. "На данный момент нет четких доказательств в пользу модели темной звезды". Марсия Рике из Университета Аризоны, также участвующая в работе над проектом JADES, придерживается столь же осторожной точки зрения. Она отметила, что две из трех кандидатур действительно выглядят как небольшие галактики, а третья может быть просто компактной галактикой. " Чтобы утверждать, что что-то является темной звездой, нужно иметь достаточно веские доказательства, - считает она.

И есть шанс, что мы их получим". Вскоре JADES получит вторую половину своих данных, включая детальные спектры этих объектов, то есть результаты измерения света, который объекты испускают в различных диапазонах длин волн. Возможно, нам удастся обнаружить признаки ионизированной формы гелия, известной как гелий-II. Если загадочные объекты действительно являются темными звездами, то астрономы увидят, как гелий-II поглощает свет на определенной длине волны. Если же это галактики, то гелий-II начнет излучать свет на этой длине волны. "Признаком темной звезды является - гелий-II", - говорит Полин.

Возможно, есть и другие кандидаты в темные звезды. Илие говорит, что работает над новой статьей, в которой будут представлены свежие наблюдения JWST. "Мы не испытываем недостатка в кандидатах", - говорит он. На данный момент только JWST способен находить темные звезды, хотя предстоящий к запуску в 2027 году Римский космический телескоп НАСА, возможно, тоже будет на это способен.

Для большинства астрономов идея существования темных звезд по-прежнему остается чем-то из ряда вон выходящим. "Большинство людей предпочитают быть консерваторами и не говорить о таких странных вещах, как темные звезды, - говорит Карр. Но, с другой стороны, наш космос изобилует самыми невероятными объектами, от черных дыр до магнетаров. "Нас сплошь и рядом окружают странные вещи, - говорит Карр. Так почему же темные звезды тоже не могут существовать?

Помимо выдающихся открытий, JWST совместно с другими телескопами способен создавать потрясающие изображения, как, например, эта фотография "Призрачной галактики" M74. Изображение предоставлено онлайн-порталом ESA / Webb, NASA & CSA, Дж. Ли и команда PHANGS-JWST

Самые странные звезды

Темные звезды - далеко не единственное экзотическое звездное явление, которое мы можем обнаружить (ну или не обнаружить) в космосе.

Звезда Янус

В июле прошлого года астрономы сообщили, что заметили звезду, которая, по всей видимости, расколота пополам: одна ее половина состоит из гелия, а другая - из водорода. У нее словно два лица, как у бога Януса из древнеримской мифологии

В июле прошлого года астрономы сообщили, что заметили звезду, которая, по всей видимости, расколота пополам: одна ее половина состоит из гелия, а другая - из водорода. У нее словно два лица, как у бога Януса из древнеримской мифологии. Возможно, эта звезда просто была запечатлена в не самый "удачный" для нее момент - как раз во время перехода от горения гелия к водороду. Считается, что через этот процесс проходят многие белые карлики.

Гибридные звёзды

Известные также как объекты Ландау — Торна — Житкова, они состоят из нейтронной звезды внутри обычной. Словно матрешки. Вероятно, они образуются при столкновении и слиянии двух звезд. Во время своей короткой жизни они внешне неотличимы от других крупных звезд. Правда они пока остаются гипотетическими объектами - обнаружить такую звезду можно только с помощью гравитационно-волновых измерений и наблюдений за элементами внутри звезды.

Бозонная звезда

В каком случае черная дыра перестает быть черной дырой? Когда это бозонная звезда. Обычно звезды состоят из фермионов - частиц, из которых состоит материя. Но бозоны - несущие силу частицы природы - могут собираться вместе в почти неограниченном количестве и создавать прозрачные объекты, которые мало на что влияют, кроме как оказывать огромное гравитационное воздействие на все вокруг. Такие объекты будут почти неотличимы от черных дыр - вот почему астрономы до сих пор не могут найти простых способов их обнаружения.