Энергия из ниоткуда: астрономы нашли древние звёзды, питаемые тьмой

Учёные впервые получили свидетельства существования сверхмассивных тёмных звёзд — древних объектов, свет которых, возможно, поддерживается не ядерным синтезом, а энергией тёмной материи. Это открытие способно объяснить, как во Вселенной появились первые чёрные дыры и сверхяркие галактики.

Когда тьма светит

В первые сотни миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной начали формироваться звёзды из облаков водорода и гелия. Однако данные, полученные с помощью космического телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST), указывают: некоторые из тех древних звёзд могли быть совершенно иными.

Новое исследование под руководством Космина Илие из Колгейтского университета в Гамильтоне выявило четыре далёких объекта, спектр которых совпадает с ожидаемыми характеристиками тёмных звёзд.

"Сверхмассивные тёмные звёзды — это яркие и рыхлые гиганты из водорода и гелия, стабилизированные аннигиляцией частиц тёмной материи в их ядре", — пояснил Илие.

Такие объекты могут оказаться недостающим звеном между первыми звёздами и ранними сверхмассивными чёрными дырами. Они способны объяснить, почему на окраинах наблюдаемой Вселенной уже существуют чрезвычайно массивные галактики и квазары, которые не вписываются в современные модели эволюции звёзд.

Теория, опередившая своё время

Учёные еще в 2008 году предположили, что в ранней Вселенной существовали гиганты, чья энергия исходила из аннигиляции частиц тёмной материи — гипотетических WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц).

"Когда два вимпа сталкиваются, они аннигилируют, высвобождая энергию. Это может препятствовать коллапсу звезды и заставлять её светиться", — говорится в работе Фриз и коллег, опубликованной в Physical Review Letters.

Позднее исследователи показали, что такие звёзды могли вырасти до миллиона масс Солнца и со временем коллапсировать, образуя чёрные дыры, ставшие семенами для первых галактик.

Следы на грани видимого

Новые наблюдения JWST с приборами NIRCam и NIRSpec позволили выделить четыре потенциальных кандидата:

• JADES-GS-z14-0,
• JADES-GS-z14-1,
• JADES-GS-z13-0,
• JADES-GS-z11-0.

Эти объекты находятся на расстоянии более 13 миллиардов световых лет, то есть их свет пришёл к нам с эпохи, когда Вселенной было всего около 300 миллионов лет.

Важнейшая деталь — у одного из них, JADES-GS-z14-0, обнаружена линия поглощения на длине волны 1640 ангстрем, характерная для однократно ионизированного гелия.

"Мы впервые увидели возможный спектральный след тёмной звезды. Несмотря на слабый сигнал, это может стать прорывом", — сказал Илие.

Что показал телескоп ALMA

Чтобы подтвердить гипотезу, учёные использовали данные радиоинтерферометра ALMA в Чили. В спектре того же объекта они нашли линию излучения кислорода, характерную для туманностей. Это может означать, что звезда окружена облаком богатого металлами газа — возможно, результатом слияния гало тёмной материи с галактикой.

Если интерпретация верна, перед нами не одиночная звезда, а тёмная звезда, погружённая в среду звездообразования. Такое открытие позволит лучше понять процесс эволюции ранних космических структур.

Тёмная материя — невидимый двигатель Вселенной

По современным оценкам, тёмная материя составляет около 25% массы Вселенной, но её природа остаётся загадкой. Она не испускает и не поглощает свет, однако создаёт гравитацию, формирующую галактики и кластеры.

Тёмные звёзды — это первое прямое проявление её энергии. Если их существование подтвердится, учёные смогут косвенно изучать свойства частиц тёмной материи по тому, как они взаимодействуют внутри таких звёзд.

"Эти объекты не только помогают нам понять происхождение сверхмассивных чёрных дыр, но и дают шанс впервые наблюдать звёзды, работающие на тёмной энергии материи", — подчеркнула директор Техасского центра космологии Кэтрин Фриз.

На пороге новой астрономии

Обнаружение сверхмассивных тёмных звёзд открывает целое направление — астрономию звёзд, питаемых тёмной материей. В отличие от обычных, их жизнь может продолжаться миллионы лет без ядерных реакций, а коллапс таких объектов способен породить самые загадочные чёрные дыры ранней Вселенной.

Публикация исследования в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences стала первым шагом к проверке теории, которая долгое время оставалась чисто теоретической. Теперь, когда "Джеймс Уэбб" способен заглянуть глубже, чем любой предыдущий телескоп, шансы найти убедительные доказательства растут.

Часто задаваемые вопросы

Что такое тёмная звезда?
Это гипотетический тип звезды, свет которой поддерживается аннигиляцией частиц тёмной материи, а не ядерным синтезом.

Почему они важны?
Потому что могут объяснить происхождение сверхмассивных чёрных дыр и первые стадии формирования галактик.

Можно ли их увидеть невооружённым глазом?
Нет. Даже для мощнейших телескопов они едва различимы — мы наблюдаем их свет спустя миллиарды лет.

Уточнения

Космический телескоп "Джеймс Уэ́бб" (англ. James Webb Space Telescope, JWST) — орбитальная инфракрасная обсерватория. Самый крупный космический телескоп с самым большим зеркалом из когда-либо запущенных человечеством.

Тёмная мате́рия — в астрономии и космологии, а также в теоретической физике гипотетическая форма материи, не участвующая в электромагнитном взаимодействии и поэтому недоступная прямому наблюдению. Составляет около четверти массы-энергии Вселенной и проявляется только в гравитационном взаимодействии.