Если темная материя состоит из тяжелых частиц, она должна взаимодействовать с объектами, слишком легкими, чтобы стать настоящими звездами. При этом они все начнут светиться, став темными звездами, посчитали авторы новой научной работы.
В современной науке давно наблюдается кризис вокруг темной материи, которой во Вселенной в несколько раз больше, чем обычной. Долгое время была популярна гипотеза о том, что она состоит из вимпов — массивных частиц, взаимодействующих с обычными только через гравитацию. Отсутствие электромагнитного взаимодействия с ними объясняло бы, почему астрономы не наблюдают никакого излучения от них.
Эта гипотеза многим физикам казалось логичной, но проблемой ее стало полное отсутствие наблюдательных подтверждений от астрономов, несмотря на десятки лет поисков. На ускорителях частиц никаких признаков вимпов найти тоже не удалось. Что еще хуже, столкновения скоплений галактик (скажем, в скоплении Пуля) показало практически полное отсутствие «трения» (до есть взаимодействия через соударение) частиц темной материи между собой, при столкновениях. Такое поведение очень сложно объяснить с физической точки зрения, что поставило под сомнение всю концепцию.
Из этого кризиса наметилось два основных пути выхода. Сторонники первого, например 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.
Есть и второй подход: вимпы существуют, просто нужны какие-то прорывные идеи по их обнаружению. Исследователи из США и Великобритании выпустили статью, где попробовали предложить как раз такую. Ее текст доступен на сервере препринтов Корнеллского университета, вскоре она будет опубликована в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Они изучили эффект, который должны оказывать вимпы на коричневые карлики, и обнаружили, что в зонах высокой плотности темной материи при этом должны появляться темные карлики.
Так авторы работы назвали объект, рожденный как обычный коричневый карлик — то есть тела массой от 0,013 до 0,075 солнечной — но затем начавшие «подпитываться» энергией аннигиляции вимпов, то есть частиц темной материи. Такая аннигиляция должна происходить не реже, чем с частицами обычной материи, при этом неизбежно выделяется энергия. В обычных условиях ее не так много, поэтому на тела, например, в Солнечной системе она заметным образом не влияет. Однако в рамках гипотезы вимпов они должны активнее всего скапливаться там, где плотность обычной материи выше всего — то есть в центрах галактик.
По расчетам авторов, в центре нашей Галактики концентрация вимпов так далека, что тела с массой коричневых карликов и даже чуть ниже могут заметно подогреваться аннигиляцией вимпов. В таком случае они будут светиться как нормальные коричневый карлики. Только последние со временем остывают (когда останавливаются исходные термоядерные реакции в ядре) и почти полностью перестают излучать, а темные карлики продолжат делать это неограниченное время, поскольку темная материя должна подогревать их чрезвычайно долго.
Конечно, ждать сотни миллионы лет, чтобы выделить те коричневые карлики, что упорно не гаснут, непрактично. Исследователи предложили метод, чтобы отличить их гипотетические темные карлики от обычных коричневых или очень тусклых красных.
Речь об избытке лития-7 во внешних слоях темных карликов. Поскольку они нагреваются темной материей равномерно — и во внешних слоях и в ядре — то температура в центре темного карлика не может превышать 2,5 миллионов градусов. А при такой не происходит уничтожение лития-7 с образованием гелия-4. Следовательно, заключили исследователи, в спектрах темных карликов должны быть заметные следы лития-7 — отсутствующие у обычных звезд, которые быстро «сжигают» литий-7 до гелия-4.
Правда, здесь возникает вопрос: как процессы выгорания лития-7 в ядре обычной тусклой звезды должны влиять на состав ее внешних слоев. Ученые ссылаются на то, что при малой массе звезды должны быть полностью конвективны — то есть их слои эффективно перемешиваются, отчего состав ядра и оболочки однородный. Но этот момент вызывает вопросы, потому что полное перемешивание требует очень существенного времени.
По мнению авторов работы, мощные космические телескопы типа «Джеймса Уэбба» уже могут увидеть темные карлики — то есть аналог коричневых карликов, но со следами лития-7 — в центре нашей Галактики. Здесь, правда, возникает вопрос о том, как это сделать: центр насыщен излучением множества звезд и различить на этом фоне особо тусклые объекты и их спектры объективно очень трудно.
Новая гипотеза довольно сложна в подтверждении наблюдениями. Одна из проблем: определить массу тусклого объекта без близких компаньонов очень сложно. А без знания массы трудно понять и то, будет ли объект достаточно маломассивным, чтобы стать полностью конвективным, с полным перемешиванием слоев.
Наконец, стоит помнить, что все многочисленные попытки найти следы темной материи любых видов в диске Галактики (не говоря уже о ее центре) пока не увенчались успехом. Это хорошо сочетается с гипотезами и теориями как в модели Горькавого (шаровых скоплений черных дыр в диске Галактики и не должно быть), но практически несовместимо с моделями, в которых темная материя состоит из частиц.