Сверхновые с захватом электронов и темная материя

Космический театр звездной смерти и рождения нейтронных светил, долгое считавшийся сценой, где главные роли исполняют лишь известные формы материи, возможно, готовится к пересмотру сценария. На эту сцену выходит новый, невидимый актер — темная материя, чье гипотетическое присутствие в недрах звезд-предшественниц способно кардинально изменить ход катастрофических событий.

Именно этой захватывающей возможности посвящено новаторское исследование группы ученых из INFN-Pisa и Пизанского университета, в котором они впервые построили модель, описывающую, как так называемая асимметричная темная материя может влиять на один из самых загадочных типов звездных взрывов — сверхновые с захватом электронов. Их работа позволяет предположить, что необычно слабые вспышки и странно легкие нейтронные звезды могут быть не только необычными объектами, а косвенными сигналами о присутствии этой неуловимой субстанции, меняя наши представления о финале жизни звезд.

Сверхновые с захватом электронов (ECSN) занимают особую нишу в классификации звездных катастроф. Они представляют собой взрывы, происходящие в звездах с начальной массой примерно в 8–10 раз больше солнечной. В их недрах эволюция приводит к формированию вырожденного ядра, состоящего из кислорода, неона и магния. Критический момент наступает, когда плотность в ядре достигает порогового значения, при котором ядра неона и магния начинают захватывать электроны. Этот процесс уменьшает электронное давление, поддерживавшее звезду от гравитационного коллапса, что провоцирует катастрофическое сжатие ядра. В результате происходит взрыв сверхновой, оставляющий после себя не черную дыру, а нейтронную звезду — невероятно плотный объект, состоящий в основном из нейтронов.

Исследовательская группа в составе Игнацио Бомбачи, Доменико Скордино и Вишала Пармара задалась целью изучить, как гипотетическая асимметричная темная материя (ADM), состоящая из фермионов, может вмешаться в этот отлаженный механизм. Импульсом к работе послужило открытие сверхновой SN 2018zd, которая была признана первым убедительным наблюдательным свидетельством ECSN, предсказанного еще в 1980-х годах. Ученые предположили, что присутствие фермионной темной материи в вырожденном ядре звезды-предшественницы может существенно повлиять на критическую массу, при которой запускается коллапс, и, что особенно интригующе, потенциально привести к образованию нейтронных звезд с массами значительно ниже одной солнечной — меньше наименьшей из надежно измеренных на сегодняшний день.

Методология исследования основывалась на передовом математическом аппарате. Ученые рассматривали обычную и темную материю как две взаимопроникающие жидкости, взаимодействующие исключительно через гравитацию. Они применили общерелятивистский двухжидкостный формализм, который расширяет стандартные уравнения звездной структуры. Для моделирования обычной материи в ядре-предшественнике, богатом неоном белом карлике, использовались уравнения состояния, точно учитывающие физику электронного захвата. Темную же материю описывали как холодный, идеальный, вырожденный ферми-газ. Путем численного решения структурных уравнений для различных масс и концентраций темной материи ученые смогли проследить, как ее присутствие меняет плотность ядра и порог коллапса.

Результаты этого моделирования оказались весьма значительными. Выяснилось, что даже относительно небольшое количество темной материи действует как дополнительный гравитационный «груз», сжимая вырожденное ядро белого карлика эффективнее. Это приводит к тому, что коллапс происходит при меньшей гравитационной массе ядра по сравнению со сценарием без темной материи.

Следовательно, сам взрыв сверхновой должен быть менее энергичным, так как для его запуска требуется меньшее гравитационное воздействие. Наиболее же интригующим следствием является образование нейтронных звезд с аномально низкими массами, возможно, даже ниже одной массы Солнца, что находится за пределами предсказаний стандартных астрофизических моделей.

Таким образом, данное исследование представляет собой первую самосогласованную модель звездной структуры, интегрирующую асимметричную темную материю в картину коллапса, взрыва и образования компактного остатка. Оно устанавливает теоретическую основу для нового направления поисков темной материи.

Сверхновые с аномально низкой светимостью или необъяснимо легкие нейтронные звезды, обнаруженные в будущем, могут рассматриваться как потенциальные кандидаты в объекты, в чьей эволюции темная материя сыграла решающую роль. Это превращает звездные взрывы, эти грандиозные космические катаклизмы, в естественные лаборатории для изучения свойств одной из самых таинственных составляющих нашей Вселенной.

Сама исследовательская группа не останавливается на достигнутом. В настоящее время ученые работают над усовершенствованием своей модели, планируя включить в нее более реалистичный химический состав белых карликов и рассмотреть более широкий спектр свойств темной материи. Их долгосрочная цель — тесно интегрировать теоретические предсказания с данными многоканальной астрономии, используя наблюдения электромагнитных телескопов и детекторов гравитационных волн.

Это позволит проверить, действительно ли темная материя активно участвует в жизненном цикле звезд, и установить, могут ли маломассивные нейтронные звезды наложить новые ограничения на уравнение состояния вещества при экстремальных плотностях, еще на один шаг приближая нас к разгадке величайших тайн мироздания.