Ученые предполагают, что темная материя может быть связана с формированием темных звезд.

Новости МирТесен

Существование темной материи — невидимой субстанции, гравитационное воздействие которой определяет развитие галактик — практически не вызывает сомнений у ученых. Однако состав этой субстанции до сих пор остается неизвестным, и продолжающиеся поиски не дали результатов. В рамках более экзотических гипотез исследователи предложили классифицировать темную материю на теплую, холодную и размытую, основываясь на характерных признаках, включая формирование галактических нитей (филаментов) на ранних этапах эволюции Вселенной. Недавно размытая темная материя стала объектом подозрений в способности формировать скопления, которые служат ядрами галактик.

Предполагается, что темные звезды формируются из крайне легких частиц — бозонов, и в их составе присутствует и обычная, барионная материя. Хотя существуют доказательства существования темной материи, проявляющиеся в ее гравитационном влиянии на космические объекты, ученые до сих пор не определили ее точный состав.

Десять лет назад вимпы (WIMPs) являлись наиболее вероятными кандидатами на роль темной материи, поскольку они соответствовали ряду теорий и хорошо интегрировались в Стандартную космологическую модель ( модель ΛCDM). Однако попытки поймать эти частицы с помощью специальных детекторов пока что не увенчались успехом, из-за чего физики обратились к другим моделям.

Гипотеза холодной темной материи (CDM) предполагает, что эта невидимая материя состоит из частиц, скорость которых ниже скорости света, и которые практически не взаимодействуют ни с другими частицами темной материи, ни с обычной материей. Несмотря на то, что эта модель успешно объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, при изучении локальных структур, таких как плотные ядра галактик, она демонстрирует расхождения с результатами наблюдений, поскольку предсказывает слишком плотные и «жесткие» галактические ядра.

Чтобы привести теорию в соответствие с наблюдательными данными, астрофизики начали разрабатывать более необычные модели, включая теплой холодной материи (warm dark matter, WDM) — ее частицы на порядок быстрее и легче вимпов — и размытой темной материи (fuzzy dark matter, FDM), масса частиц которой еще меньше.

Если темная материя действительно состоит из бозонов с крайне малой массой, ее квантово-волновые характеристики могут быть заметны на масштабах галактик, а отдельные «кванты» могут формировать протяженные объекты с умеренной, невысокой средней плотностью. Эти структуры иногда называют темными или бозонными звездами (особенно при обсуждении конкретных математических моделей).

Для выяснения возможности формирования темных звезд из размытой темной материи и обычного газа, исследователи из Университета Мичоакана (Мексика) и Геттингенского университета (Германия) использовали компьютерное моделирование. В рамках упрощенной задачи они проанализировали смесь размытой темной материи (описанной уравнением Шредингера — Пуассона) и небольшого количества обычного газа (моделируемого без учета процессов звездообразования и охлаждения). Ученые отследили, как эти два компонента взаимодействуют и изменяются под воздействием гравитационных сил.

Результаты научной работы, представленной на сервере препринтов Корнеллского университета, показали, что изначально «хаотические» облака темной материи и газа быстро вышли на конфигурацию, близкую к равновесию: размытая темная материя формировала центральное ядро, а газ концентрировался вблизи него. В итоге формировалась устойчивая фермионно-бозонная звезда или темная звезда (прототип возможного галактического ядра), окруженная облаком темной материи.

Первичный анализ продемонстрировал, что данная модель не вступает в противоречие с астрономическими наблюдениями. Это делает темные звезды перспективными кандидатами на роль галактических ядер (в рамках концепции размытой темной материи, в отличие от общепринятой модели холодной темной материи).

Для сопоставления теоретических предсказаний с результатами реальных наблюдений и полного объяснения процессов образования ядер необходимы дополнительные, более детализированные симуляции, включающие учет таких факторов, как охлаждение, звездообразование и вращение).

В случае, если дальнейшие исследования подтвердят сделанные учеными заключения, гипотеза о размытой темной материи станет еще более убедительной, а темные звезды будут рассматриваться как один из основных сценариев объяснения структуры галактических центров.