Если темная материя формируется из массивных частиц, то она должна оказывать воздействие на объекты, недостаточно массивные для формирования звезд. В результате этого они начнут излучать свет, превратившись в темные звезды, как утверждают авторы недавнего научного исследования.
В современной науке существует серьезный кризис, связанный с темной материей, которая составляет значительную часть Вселенной, превышая массу обычной материи в несколько раз. Ранее широко распространенной была гипотеза о том, что темная материя состоит из вимпов – массивных частиц, взаимодействующих с обычной материей посредством гравитации. То, что эти частицы не взаимодействуют электромагнитно, объясняет отсутствие наблюдаемого астрономами излучения.
Многим физикам эта гипотеза представлялась обоснованной, однако астрономы не смогли найти никаких наблюдательных подтверждений, несмотря на десятилетия поисков. На ускорителях частиц также не удалось обнаружить признаки вимпов. Что еще хуже, столкновения скоплений галактик (скажем, в скоплении Пуля) анализ продемонстрировал, что частицы темной материи практически не взаимодействуют друг с другом при столкновениях, что свидетельствует об отсутствии «трения». Подобное поведение затруднительно с точки зрения физики и ставит под вопрос обоснованность всей концепции.
Существуют два основных направления, которые могут привести к преодолению кризиса. Среди сторонников первого из них, в частности, российский физик Николай Горькавый, пришли к выводу, что темная материя вообще не состоит ни из каких частиц. В рамках такого подхода она — компактные шаровые скопления черных дыр, находящихся в гало вокруг галактик.
Существует и альтернативный взгляд: вимпы могут существовать, но для их обнаружения требуются революционные идеи. Ученые из США и Великобритании опубликовали статью, в которой попытались предложить именно такой подход. Ее текст доступен на сервере препринтов Корнеллского университета, вскоре она будет опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Проанализировав влияние вимпов на коричневые карлики, исследователи пришли к выводу, что в областях с высокой концентрацией темной материи могут формироваться темные карлики.
Объект, изначально классифицируемый как обычный коричневый карлик (тела с массой от 0,013 до 0,075 солнечной массы), был переименован авторами, поскольку он начал получать энергию за счет аннигиляции вимпов – частиц темной материи. Этот процесс аннигиляции должен сопровождаться выделением энергии, сопоставимым с энергией, высвобождаемой при взаимодействии обычной материи. В нормальных условиях это количество энергии незначительно и не оказывает существенного влияния на тела, например, в Солнечной системе. Однако, согласно гипотезе о вимповой природе темной материи, эти частицы должны концентрироваться в областях с наибольшей плотностью обычной материи – в частности, в центрах галактик.
Авторы предполагают, что в центре нашей Галактики плотность вимпов настолько высока, что тела, сравнимые по массе с коричневыми карликами или немного легче, могут ощутимо нагреваться вследствие аннигиляции вимпов. В этом случае они будут излучать свет, подобно обычным коричневым карликам. В то время как последние со временем остывают и практически прекращают излучение (когда прекращаются термоядерные реакции в их ядре), темные карлики, вероятно, продолжат излучать в течение неограниченного периода времени, поскольку темная материя будет постоянно их подогревать.
Ожидание сотен миллионов лет для идентификации коричневых карликов, которые продолжают излучать свет, не является эффективным подходом. Ученые разработали способ, позволяющий различать предполагаемые темные карлики от обычных коричневых карликов или очень тусклых красных звезд.
Обнаружен избыток лития-7 во внешних слоях темных карликов. Равномерный нагрев от темной материей, затрагивающий как внешние слои, так и ядро, не позволяет температуре в центре темного карлика превысить 2,5 миллиона градусов. При таких условиях не происходит уничтожение лития-7 с образованием гелия-4. Таким образом, исследователи пришли к выводу, что в спектрах темных карликов должны присутствовать заметные следы лития-7, в то время как у обычных звезд он быстро «сжигается» до гелия-4.
Действительно, возникает вопрос о том, как процессы выгорания лития-7 в ядре маломассивной тусклой звезды влияют на состав ее внешних слоев. Исследователи предполагают, что такие звезды должны быть полностью конвективными, что означает эффективное перемешивание слоев и, как следствие, однородность состава ядра и оболочки. Однако это утверждение требует дополнительного рассмотрения, поскольку для полного перемешивания необходимо значительное время.
Авторы исследования полагают, что современные мощные космические телескопы, такие как «Джеймс Уэбб», способны обнаружить темные карлики – объекты, схожие с коричневыми карликами, но содержащие литий-7 – в центральной области нашей Галактики. Однако, для этого необходимо решить сложную задачу: центр Галактики переполнен излучением множества звезд, и выделение на его фоне слабые объекты и анализ их спектров представляет собой серьезное затруднение.
Подтвердить новую гипотезу наблюдениями достаточно затруднительно. Одной из сложностей является определение массы тусклого объекта, если у него нет близких компаньонов. Без знания массы сложно установить, обладает ли объект достаточной малой массой для того, чтобы стать полностью конвективным и обеспечить полное перемешивание его слоев.
Необходимо учитывать, что многочисленные поиски признаков темной материи различных видов в диске Галактики (и особенно в ее центре) до сих пор не привели к положительным результатам. Этот факт согласуется с гипотезами, предполагающими отсутствие шаровых скоплений черных дыр в диске Галактики, но противоречит моделям, в которых темная материя представлена частицами.