Небесные объекты, названные темными карликами (dark dwarves), могут скрываться в центре нашей галактики и стать ключом для раскрытия природы одного из самых загадочных и фундаментальных явлений в современной космологии — темной материи.
В статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv и в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics группой исследователей из Великобритании и с Гавайских островов, впервые описываются эти объекты и предлагаются способы проверить их существование с помощью современных инструментов, таких как космический телескоп «Джеймс Уэбб» и математическое моделирование с помощью суперкомпьютера.
Команда назвала их темными карликами не из-за низкой светимости, а именно из-за их особой связи с темной материей, одной из главных загадок и целей современных исследований в космологии и астрофизике.
Джереми Сакштейн (Jeremy Sakstein), профессор физики Гавайского университета и один из авторов исследования, убежден, что 25% Вселенной состоит из вещества, которое не излучает свет и остается невидимым для наших глаз и телескопов. Астрофизики обнаруживают его только благодаря гравитационным эффектам.
Все, что мы знаем сегодня о темной материи, — это то, что она существует и как примерно она себя ведет. Но мы не знаем, что она собой представляет на самом деле. За последние 50 лет было выдвинуто несколько гипотез, но ни одна из них пока не получила достаточного экспериментального подтверждения, чтобы одержать верх. Исследования, подобные работе Сакштейна и его коллег, важны, поскольку они предлагают конкретные инструменты для выхода из этого тупика.
Основные претенденты на роль носителей темной материи — так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (weakly interacting massive particles, сокращенно WIMP) — очень тяжелые корпускулы, которые практически не взаимодействуют с барионной (видимой и осязаемой) материей. Они проходят сквозь предметы незамеченными, не излучают свет и не реагируют на электромагнитные волны. Однако они проявляют себя через гравитационные эффекты. В контексте исследования англо-гавайской команды важно отметить, что в разговорном английском слово wimp означает «слабак».
По мнению авторов, темная материя может захватываться гравитацией звезд и накапливаться внутри них. Она при определенных условиях может также взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая нагревает звезду.
Обычные звезды, подобные нашему Солнцу, светят благодаря тому, что в их недрах происходят процессы термоядерного синтеза, выделяющие большое количество энергии. Процесс происходит в том случае, когда масса звезды достаточно велика, чтобы гравитационные силы сжимали вещество к центру, вызывая реакции между атомными ядрами. По тому же принципу «работает» водородная бомба — для запуска термоядерной реакции сначала нужен небольшой атомный взрыв, сжимающий дейтериевую начинку до критической плотности.
Этот процесс высвобождает в Солнце и других звездах огромное количество энергии, которую мы воспринимаем как видимый свет, а также инфракрасное излучение, которое ощущается как тепло. Темные карлики тоже излучают свет и тепло, но не из-за ядерного синтеза. Сакштейн и его коллеги оценивают массу гипотетических темных карликов всего в 8% солнечной массы. Такой малой массы недостаточно для запуска термоядерных реакций.
Подобные объекты, достаточно распространенные во Вселенной, обычно излучают лишь слабый свет (благодаря энергии, вырабатываемой их относительно небольшим гравитационным сжатием) и известны ученым как коричневые карлики (brown dwarves). Однако если коричневые карлики расположены в областях, где темной материи особенно много, например в центре нашей галактики или в центре шаровых скоплений, они, по мнению авторов исследования, могут трансформироваться во что-то другое.
Коричневые карлики собирают темную материю, которая помогает им превратиться в темных карликов, внешне оставаясь коричневыми. Чем больше темной материи находится вокруг коричневого карлика, тем больше ее можно уловить и впитать. Чем больше темной материи оказывается внутри звезды, тем больше энергии образуется в результате ее гипотетической аннигиляции.
Тут, правда, таится слабое место теории. До сих нет никаких свидетельств «классового антагонизма» среди WIMP или других потенциальных «кирпичиков» темной материи. Чтобы темные карлики существовали, темная материя должна состоять из частиц и античастиц, которые никак не взаимодействуют с барионной материей, но внутри своего «темного» мира живут полнокровной насыщенной жизнью.
Другие кандидаты, предлагаемые для объяснения темной материи, такие как аксионы или стерильные нейтрино, слишком малы, чтобы произвести ожидаемый эффект. Только массивные частицы, способные взаимодействовать друг с другом и аннигилировать с образованием видимой энергии, могут полноценно питать темного карлика, хотя и не способны сделать его даже красным.
Как найти черную кошку в темной комнате
Вся эта гипотеза имела бы мало смысла, если бы не было конкретного способа идентифицировать темного карлика в космосе. Ученые рассматривали несколько потенциальных маркеров, но выбрали изотоп литий-7. Он очень легко вступает в ядерные реакции и быстро расходуется в обычных звездах, включая коричневых карликов, в которых процессы деления ядер так или иначе идут. Но если ученым удастся найти объект с высоким содержанием Li7, это, по их убеждению, был бы идеальный кандидат на роль темного карлика.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» способен обнаруживать холодные и компактные субзвездные объекты в пределах Млечного Пути и определять их спектральные линии, в том числе линии изотопов лития. Дистанция до галактического центра по последним данным оценивается в 25,8 тысяч световых лет. Не исключено, что темных карликов удастся встретить ближе.
По словам Сакштейна, есть и другая возможность — взять всю совокупность наблюдаемых объектов в центре галактики и провести математическое вычисление вероятности нахождения среди них карликов, чья масса за счет поглощенной темной материи превышает массу среднестатистических объектов этого класса. Но этот метод, признает ученый, менее надежен, чем первый.
Если нам удастся найти темного карлика, это станет убедительным доказательством того, что темная материя тяжелая и реально взаимодействует сама с собой. Но пока все это плохо согласуется со стандартной космологической моделью. Придется ввести новые классы небесных тел, своего рода «звезд-слабаков» (wimp stars), а возможно и другие, еще более экзотические виды.
О том, что такое изотоп литий-7 и какова его роль во Вселенной, читайте в материале Hi-Tech Mail.
