Что может случиться со звездой, попавшей внутрь плотного облака темной материи? По мнению авторов недавнего исследования, ее эволюция может измениться в обратном направлении. Используя компьютерное моделирование развития подобных звездных систем, ученые выявили новую «главную темную последовательность». Примечательно, что эту гипотезу можно проверить, если внимательно изучить центр нашей галактики, Млечный Путь.
Существующие модели предполагают, что звезды не способны формироваться в радиусе 0,3 светового года (0,1 парсека) от сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре Млечного Пути и сопровождаемой S-звездами. Это указывает на то, что они переместились в этот регион уже после своего рождения. Возраст этих звезд не превышает 15 миллионов лет, что вызывает вопросы, поскольку в их спектральных характеристиках прослеживаются признаки более зрелых светил. Также примечательно, что среди S-звезд наблюдается повышенное количество массивных звезд, в то время как в окрестностях центра Галактики наблюдается дефицит более старых звезд.
Несмотря на безуспешные попытки найти темную материю в диске Млечного Пути и других подобных галактик, некоторые астрономы предполагают, что она там все же присутствует. Причем, по их расчетам, в центре Галактики ее плотность должна быть достаточно высокой, чтобы влиять на внутренние процессы звезд.
Авторы новой работы, выложенной в открытый доступ на сайте arXiv, ученые впервые представили, как темная материя влияет на популяцию звезд. На основе предыдущих исследований ими была смоделирована эволюция таких объектов. В результате работы была построена диаграмма, демонстрирующая новую «темную главную последовательность».
Звезды проходят стадии эволюции в соответствии с установленными закономерностями. Их устойчивость поддерживается до тех пор, пока гравитационное притяжение, действующее внутрь, компенсируется энергией, высвобождающейся в результате ядерных реакций и направленной наружу. Светимость, температура и радиус звезды связаны между собой. Это взаимосвязь и отражает знаменитая диаграмма Герцшпрунга — Рассела. В молоденькой Вселенной и в регионах с высокой плотностью темной материи ее аннигиляция способна служить существенным дополнением к энергетическим ресурсам.
В рамках нового исследования ученые провели моделирование эволюции двух популяций звезд, масса которых варьируется от одной до десяти солнечных масс. Рассматривались сценарии развития звезд как при отсутствии, так и при наличии влияния темной материи. Влияние темной материи учитывалось после формирования звезды, когда она попадала в гипотетическое облако темной материи, расположенное в окрестностях центра Галактики.
Ученые из Центра физики космических частиц имени Оскара Клейна (Швеция) и Института астрофизики частиц и космологии имени Кавли (США) разработали четыре модели эволюции звезд, учитывающие влияние темной материи. В рамках первого сценария аннигиляция темной материи лишь частично компенсирует процессы нуклеосинтеза. В таких звездах скорость преобразования водорода ниже, что приводит к замедлению их развития. Их продолжительность жизни может превышать аналогичный показатель для «обычных» звезд в десятки и даже сотни раз.
Вторая группа, вследствие значительного количества поглощенной темной материи, испытывает замедление в процессе эволюционного треке Хеньи. Обычные звезды проходят этот путь довольно быстро: они сжимаются, начинают термоядерные реакции и занимают место на главной последовательности. Однако, в условиях высокой концентрации темной материи, даже звезды, находящиеся на главной последовательности, могут остановить термоядерные реакции и вернуться к фазе, известной как трек Хеньи. Подобные звезды, согласно теории, должны обладать продолжительным жизненным циклом, однако авторы исследования провели моделирование, охватывающее лишь 10 миллиардов лет.
Третья группа «застревает» на эволюционном треке Хаяси, в этих областях космоса располагаются звезды, в которых еще не начался нуклеосинтез. Обычные звезды либо переходят к треку Хеньи, либо трансформируются в коричневые карлики. Аннигиляция темной материи в подобных звездах полностью подавляет нуклеосинтез, и они начинают свой путь по треку Хеньи, минуя стадию «горения водорода». Внешне такие звезды выглядят молодыми, однако обладают признаками старых звезд, которые уже прошли стадию нуклеосинтеза. Они обладают свойством бессмертия.
В конечном итоге, у звезд четвертой группы темная материя, по-видимому, изменяет направление их эволюции. Есть основания полагать, что она способна превращать их в газообразные облака. Вблизи центра Млечного Пути существуют подобные объекты — так называемые G-объекты, эти объекты напоминают плотные ядра, которые окружены газовым облаком.
На диаграмме звезд, получивших название «темная главная последовательность», выделяют три характерные черты. Прежде всего, наблюдается большое количество массивных звезд на главной последовательности, поскольку маломассивные звезды изменяют свои эволюционные пути под воздействием темной материи. Во-вторых, отмечается избыточное число звезд на треке Хаяси, обусловленное их долговечностью. В-третьих, фиксируется обилие массивных светил на треке Хеньи. В целом, данная гипотеза позволяет объяснить некоторые особенности известных космических тел вблизи центра Галактики.
Более подробные наблюдения за объектами, расположенными вблизи центра галактики, помогут подтвердить выдвинутые предположения. Вероятно, многие из описанных звёзд просто исключаются из рассмотрения в ходе наблюдений. К примеру, звёзды, движущиеся по треку Хаяси, могут оказаться слишком холодными и не попадать в выборки. Авторы новой работы полагают, что эти «потерянные» звёзды можно обнаружить, используя комплекс телескопов VLT и обсерваторию Кека, при условии правильной настройки параметров поиска. Новые поколения телескопов откроют возможности для проведения полноценных наблюдений.