Темная материя могла питать первые звезды во Вселенной
Согласно современным космологическим представлениям, первые звезды во Вселенной сформировались из первозданных облаков водорода и гелия в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Однако наблюдения, проведенные космическим телескопом Джеймс Уэбб (JWST), указывают на возможность существования в ранней Вселенной принципиально иного типа звезд, кардинально отличающихся от обычных звезд, в недрах которых происходит термоядерный синтез. Речь идет о гипотетических объектах, известных как сверхмассивные темные звезды (SMDS, supermassive dark stars).
Новое исследование, проведенное группой астрофизиков под руководством Космина Илие из Университета Колгейта, выявило четыре чрезвычайно далеких объекта, чьи наблюдаемые спектры и морфология соответствуют прогнозируемым характеристикам сверхмассивных темных звезд. Результаты этой работы, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, потенциально могут перевернуть наши представления о ранних этапах звездообразования и природе темной материи.
Сверхмассивные темные звезды теоретически представляют собой гигантские, чрезвычайно яркие, но диффузные и «пухлые» облака, состоящие преимущественно из водорода и гелия. Их уникальность заключается в источнике энергии. В отличие от обычных звезд, которые светятся благодаря термоядерному синтезу в ядре, темные звезды предотвращают гравитационный коллапс и получают энергию за счет аннигиляции частиц темной материи, захваченной внутри них. Это делает их невероятно яркими и долгоживущими гигантами.
Изначальная теория темных звезд была разработана Кэтрин Фриз в сотрудничестве с Дугом Сполиаром и Паоло Гондоло и впервые опубликована в 2008 году. В последующих работах, включая публикацию 2010 года, исследователи предсказали, что такие звезды могут достигать сверхмассивных размеров и в дальнейшем становиться зародышами сверхмассивных черных дыр, которые питают самые далекие квазары. Это делает их ключом к решению двух современных астрономических загадок: происхождения неожиданно крупных и ярких компактных галактик, обнаруженных JWST, и механизма формирования сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.
Хотя темная материя составляет около четверти всей массы-энергии Вселенной, ее природа остается одной из главных нерешенных проблем физики. Согласно преобладающей гипотезе, темная материя может состоять из слабовзаимодействующих массивных частиц (вимпов, WIMP). Когда такие частицы сталкиваются, они аннигилируют, выделяя значительное количество энергии. В ранней Вселенной, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, условия в центрах гало темной материи были идеальными для того, чтобы этот процесс нагревал коллапсирующие облака водорода, превращая их в светящиеся темные звезды.
В своем новом исследовании команда впервые идентифицировала спектроскопических кандидатов в сверхмассивные темные звезды по данным обсерватории JWST. Среди них — объекты с рекордным красным смещением до 14, что соответствует эпохе всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Проанализировав спектры и морфологию четырех самых далеких из известных объектов (JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 и JADES-GS-z11-0), ученые пришли к выводу, что каждый из них согласуется с интерпретацией как сверхмассивная темная звезда.
Один из объектов, JADES-GS-z14-1, наблюдается как точечный источник, что ожидаемо для очень далекой звезды. Три других являются чрезвычайно компактными и могут быть смоделированы как сверхмассивные темные звезды, окруженные ионизированной газовой туманностью. Важным открытием стало обнаружение в спектре объекта JADES-GS-z14-0 провала поглощения на длине волны 1640 ангстрем, что является характерным признаком большого количества однократно ионизированного гелия в атмосферах темных звезд. Хотя отношение сигнал/шум для этой особенности невелико, ее наличие рассматривается как первый потенциальный «отпечаток пальца» темной звезды.
Дополнительную сложность в интерпретацию вносит независимое обнаружение линии излучения кислорода от того же объекта JADES-GS-z14-0 с помощью телескопа ALMA. Это указывает на присутствие металлов, что не характерно для изолированной темной звезды в первозданной среде. Исследователи предполагают, что это может быть объяснено слиянием гало темной материи, в котором находится звезда, с другой галактикой, уже содержащей металлы, либо формированием темных и обычных звезд в одном и том же родительском гало.
Открытие и подтверждение сверхмассивных темных звезд имело бы революционные последствия. Во-первых, оно открыло бы возможность прямого изучения свойств частиц темной материи через наблюдаемые характеристики этих объектов. Во-вторых, оно положило бы начало совершенно новой области астрономии — изучению звезд, питаемых темной материей, а не термоядерным синтезом. Это позволило бы по-новому взглянуть на процессы, происходившие в юной Вселенной, и на происхождение сверхмассивных черных дыр.
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
