Темная материя может сделать звезды в галактическом центре бессмертными

Астрономы обнаружили потенциально новый класс звезд, который может существовать в пределах светового года от центра Млечного Пути и действовать по необычному механизму: аннигиляции темной материи. Этот процесс окажет внешнее давление на звезды, помимо термоядерного синтеза, удерживая их от гравитационного коллапса и делая их по существу бессмертными. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.

В совокупности звезды, питаемые темной материей, будут обитать в новой области давно установленной диаграммы, которая классифицирует звезды по их температуре и светимости, помещая их вдали от так называемой главной последовательности, где существует подавляющее большинство звезд.

Наблюдение за нашим Галактическим центром, вокруг которого вращаются звезды, довольно сложно, так как этот регион чрезвычайно яркий. В центре находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, масса которой в четыре миллиона раз превышает массу Солнца. Это яркий источник радиоволн, изображение которого было получено в 2022 году. Звезды вблизи Sgr A* вращаются вокруг него со скоростью несколько тысяч километров в секунду (по сравнению с орбитальной скоростью Солнца в 240 км/с).

Эти близкие внутренние звезды, называемые звездами S-скопления, очень загадочны, их свойства не похожи ни на какие другие звезды Млечного Пути. Их происхождение неизвестно, поскольку окружающая среда в пределах трех световых лет от центра считается враждебной для звездообразования. Они кажутся намного моложе, чем можно было бы ожидать, как если бы они «переехали» из какого-то другого места. Самое загадочное, что они выглядят необычно молодыми, по соседству с ними меньше старых звезд, чем ожидалось.

Звезды — это ядерные печи, генерирующие тепло, сжигающее водород посредством ядерного синтеза. Тепловое излучение в результате этой реакции, а также термодинамическая конвекция звездной плазмы оказывают внешнее воздействие на компоненты звезды — в основном на водород и гелий. Эта сила уравновешивается внутренней силой самогравитации.

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела (HR) классифицирует звезды, отображая их светимость в зависимости от эффективной температуры их поверхности. За исключением белых карликов и красных гигантов, «главная последовательность» этой диаграммы изгибается от верхнего левого угла к нижнему правому, и большинство звезд попадает на эту кривую. (Солнце находится примерно посередине, поскольку их светимость показана как соотношение их яркости с солнечной). Звезды в разных местах последовательности соответствуют звездам разной массы и возраста.

Однако темная материя также существует в галактике. Его присутствие было установлено на основе наблюдений, которые обнаружили недостаточное количество обычной материи, чтобы объяснить более высокие, чем ожидалось, скорости вращения звезд вокруг Галактического центра.

Плотность темной материи самая высокая вблизи центра галактики и падает по мере удаления от него. Разумно ожидать, что она будет включена в состав звезд вблизи центра, где темная материя наиболее плотна. Если это так, то аннигиляция темной материи (частицы и античастицы темной материи, которые сталкиваются и производят фотоны, электроны и т. д.) будет оказывать дополнительное внешнее давление внутри звезды и может даже доминировать над ядерным синтезом.

Исследовательская группа из Стокгольма и Стэнфорда обнаружила, что включение темной материи в динамику самых внутренних звезд — тех, которые находятся в пределах примерно трети светового года от центра (что эквивалентно примерно 8% расстояния от Солнца до ближайшей звезды) — решает многие известные парадоксы.

Чтобы учесть аннигиляцию темной материи, группа использовала относительно стандартные параметры звездообразования на протяжении всей эволюции Млечного Пути и частицы темной материи, лишь немного более массивные, чем протон. Используя компьютерную модель звездной эволюции, ученые предположили, что звезды мигрируют по главной последовательности к галактическому центру, а затем начали вводить энергию темной материи в состав звезды. Затем звезда развивалась, пока не достигла ветви красных гигантов на диаграмме HR или пока не достигла возраста 10 миллиардов лет — времени существования Млечного Пути.

Исследователи рассчитали звездное население без и с наличием темной материи. Из-за темной материи более массивные звезды имели более низкую плотность темной материи, а водород в их ядре плавился медленнее, и их эволюция замедлялась. Но звезды в области с более высокой плотностью темной материи значительно изменились — они поддерживали равновесие за счет горения темной материи с меньшим синтезом или без синтеза, что привело к появлению новой звездной популяции в области HR над главной последовательностью.

«Наше моделирование показывает, что звезды могут выживать, используя темную материю в качестве топлива», — говорит ведущий соавтор исследования Изабель Джон из Стокгольмского университета. — «А поскольку вблизи центра Галактики находится чрезвычайно большое количество темной материи, эти звезды становятся бессмертными, оставаясь вечно молодыми, занимая новую, отчетливую, наблюдаемую область диаграммы HR»

Известно лишь ограниченное число отдельных звезд, которые находятся близко к центру Галактики, поскольку эта область чрезвычайно яркая. Новые 30-метровые телескопы смогут гораздо лучше видеть этот регион, что позволит ученым понять состав его звезд и подтвердить или исключить наличие темной материи в главной последовательности.