JWST – Physics World, можливо, бачив зірки, що живляться темною матерією

JWST – Physics World, можливо, бачив зірки, що живляться темною матерією

Мітка часу: 1 серпня 2023 р., 9:00

Надмасивні темні зірки
Темні зірки, а не галактики: ці три об’єкти були спочатку ідентифіковані як галактики за допомогою JWST Advanced Deep Extragalactic Survey. Однак тепер три астрономи стверджують, що це насправді надмасивні темні зірки. (З дозволу NASA/ESA)

Трійка американських астрономів знайшли переконливі докази існування «темних зірок» — гіпотетичних об’єктів, що живляться за рахунок анігіляції темної матерії. Темні зірки можуть пояснити несподівану велику кількість стародавніх галактик, які побачив космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST).  Кетрін Фріз в Університеті Техасу, Остін разом з Космін Іліє та  Джилліан Полін в університеті Колгейт використовували дані JWST, щоб зробити висновок, що три з цих галактик насправді можуть бути темними зірками.

Менш ніж за два роки після публікації перших зображень JWST вже змінив уявлення астрономів про ранній Всесвіт. Серед найдивовижніших спостережень — величезна кількість надзвичайно яскравих стародавніх галактик, які могли сформуватися в областях, багатих темною матерією.

Темна матерія — це гіпотетична речовина, яку фізики використовують для пояснення великомасштабної структури Всесвіту. Хоча його ніколи не спостерігали безпосередньо, він є частиною поточної стандартної моделі космології – лямбда-моделі холодної темної матерії (ΛCDM). Це описує структуру та розширення Всесвіту з урахуванням гравітаційного впливу темної матерії.

Розігрів темної матерії

У 2007, Фріз та його колеги запропонували можливість «темних зірок», що могло бути поширеним у ранньому Всесвіті. Хоча ці екзотичні зірки складаються здебільшого з водню та гелію, їх живить «нагрівання темної матерії», а не ядерний синтез. Це може стосуватися типу темної матерії, яка називається слабко взаємодіючими масивними частинками (WIMP). WIMP десятиліттями уникали відкриття під час експериментів із виявлення на Землі, але, за словами команди Фріза, величезна щільність темної матерії в ранньому Всесвіті могла змусити їх набагато частіше взаємодіяти зі звичайною матерією під час формування деяких із найдавніших зірок.

У ранньому Всесвіті «WIMP могли анігілювати на фотони, електрон-позитронні пари та інші частинки, які стикалися з воднем у колапсуючих хмарах», — пояснює Фріз. «Потім ці частинки застрягають у хмарі та відкладають всю енергію з маси частинок темної матерії в хмару. Потім хмара перестає руйнуватися, а натомість перетворюється на «темну зірку».

Темні зірки є зірками в усіх сенсах, оскільки величезна сила тяжіння їхнього холодного, падаючого матеріалу ідеально врівноважена зовнішнім гідростатичним тиском, створюваним процесами вивільнення енергії в їхніх надрах. Тим не менш, Фріз каже, що вони мають кілька ключових відмінностей від звичайних зірок.

Охолодити всюди

«У них немає ядер, на відміну від зірок, що працюють на термоядерному синтезі, яким потрібні високі температури, щоб відбувся синтез», — пояснює Фріз. «Темні зірки прохолодні всюди, включно з поверхнею, тому вони не виробляють іонізуючих фотонів або вітрів, які б завадили їм нарощувати масу».

У результаті Фріз та його колеги стверджують, що темні зірки розростаються в розміри приблизно до 10 астрономічних одиниць і мільйони сонячних мас. Це дозволяє зіркам затягувати ще більше частинок темної матерії. У процесі «надмасивна» темна зірка (SMDS) може стати достатньо яскравою, щоб затьмарити цілу галактику.

Як правило, галактики можна легко відрізнити від зірок, оскільки вони займають великі області простору, тоді як зірки виглядають як окремі точки світла. Проте на таких великих відстанях навіть JWST не має достатньо високої роздільної здатності, щоб розрізняти зірки та галактики. Якщо Фріз та її колеги праві, це означає, що стародавні галактики так багато в даних JWST, тому що багато з них є SMDS.

Лінії поглинання

Щоб знайти докази SMDS, тріо дослідило дані JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Під час опитування вони шукали докази того, що світло певних довжин хвиль поглинається зірками-кандидатами. Зокрема, їх зацікавила лінія поглинання гелію-II при 1640 нм, яка часто спостерігається в спектрах гарячих яскравих зірок.

«Лінія поглинання гелію-II була б димом для темної зірки, оскільки галактики не виробляли б таких ліній», — каже Фріз. «Якщо знайдено інші елементи, крім водню та гелію, то це не темна зірка».

Під час пошуку за допомогою JADES вони виявили кілька об’єктів, які точно відповідали критеріям SMDS. «Ми виявили, що три з них добре відповідають SMDS», — продовжує Фріз. «Вони мають правильний спектр, хоча роздільна здатність детектора ще не може визначити, чи це об’єкти точковими чи протяжними».

У майбутньому команда сподівається, що JWST підбере SMDS-кандидатів, які були збільшені за допомогою гравітаційних лінз, що може збільшити роздільну здатність достатньо високо, щоб підтвердити, що об’єкти справді є окремими точками світла, а не розширеними галактиками. «Якщо деякі з цих ранніх об’єктів є темними зірками, а не галактиками, це допоможе зберегти узгодженість спостережень JWST із стандартною моделлю космології», — каже Фріз.

Крім того, це підтвердження може стати великим проривом у нашому розумінні природи темної матерії та надати додаткові докази існування WIMP.

Дослідження описано в Праці Національної академії наук.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики