О блокировках  |  На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.161844.html

статья Темное прошлое

Максим Борисов, 11.11.2009

Так художник представляет себе "темную звезду", видимую лишь в инфракрасном диапазоне. Иллюстрация University of Utah
Так художник представляет себе "темную звезду", видимую лишь в инфракрасном диапазоне. Иллюстрация University of Utah

Первые звезды, появившиеся в нашей Вселенной, могли принципиально отличаться от тех звезд, которые мы наблюдаем сейчас. Речь идет о так называемых "темных звездах" (dark stars), концепция которых была предложена в 2007 году группой американских астрофизиков, опубликовавших соответствующую статью в авторитетном журнале Physical Review Letters (PRL). По своим размерам такие звезды могут в миллионы раз превосходить наше собственное Солнце, при этом "топливом" для них служит не энергия термоядерного синтеза, а аннигилирующие внутри них частицы темного вещества.

Безусловно, такие объекты, если они сохранились до наших дней, должны содержать важнейшие ключи к пониманию многих особенностей ранней Вселенной. Во времена своей молодости темные звезды излучали свет видимого диапазона (так же, как и наше светило), однако излучение темных звезд, доживших до нашего времени, должно сместиться в инфракрасную часть спектра - таким образом они перестают быть видимыми невооруженным взглядом.

В течение последних двух лет группа исследователей, выдвинувшая первоначальную идею, занималась дальнейшей проработкой своей теории и смогла, в частности, связать эти необычные звезды не только с судьбой темного вещества во Вселенной, но и с черными дырами и другими экстремальными астрофизическими объектами.

Группа ученых - Кэтрин Фриз (Katherine Freese) из Университета штата Мичиган (University of Michigan), Паоло Гондоло (Paolo Gondolo) из Университета штата Юта (University of Utah) в Солт-Лейк-Сити, Питер Боденхеймер (Peter Bodenheimer) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (University of California, Santa Cruz) и Дуглас Спольяр (Douglas Spolyar), в настоящее время работающий в Fermilab, - опубликовала свои результаты в последнем номере "Нового физического журнала" (New Journal of Physics 11 (2009) 105014).

Согласно их концепции, темная звезда представляет собой принципиально новый (хотя на самом деле самый старый) этап звездной эволюции - это первый этап, имевший место лишь в рамках первых 200 миллионов лет после Большого взрыва. В те времена плотность темного вещества во Вселенной была значительно выше, чем сейчас, и первые звезды, согласно моделям, зарождались именно в скоплениях таких темных гало, служивших, таким образом, "затравкой" для всех будущих галактик. В этом было их серьезное отличие от нынешних звезд, которые рождаются по всей галактике - там, где есть скопления холодного газа. Согласно теории, первые звезды росли за счет аккреции окружающей материи, собираемой мощной гравитацией темного вещества в их сердцевине.

Внутри этих звезд находились скопления слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMPs), которые ныне считаются основным кандидатом на роль темного вещества. Нужно отметить, что все это может быть реальным лишь в рамках наиболее популярной среди физиков теории, согласно которой Вселенная заполнена "холодным темным веществом" ("cold dark matter"), то есть медленно двигающимися частицами (в отличие от "горячего" варианта с быстро движущимися частицами). Как и в случае обычной (барионной) материи, WIMPs-частицы могут иметь собственные античастицы, взаимная аннигиляция между которыми приводит к рождению световых квантов и разогреву звезды. Если плотность темного вещества оказывается достаточно высокой, то этот нагрев будет доминировать над всеми другими возможными механизмами разогрева, такими, например, как термоядерный синтез. По сравнению с последним, аннигиляция WIMPs представляет собой гораздо более эффективный источник питания, и по сравнению со сгорающим "в ядерной топке" водородом, для свечения звезды потребуется гораздо меньшее количество темного вещества.

"Концепция темных звезд - это естественное следствие теории WIMPs... однако нам потребовалось некоторое время для того, чтобы все это сошлось воедино, - пояснила Фриз. - Когда мы в 2007 году выдвинули гипотезу о существовании подобных объектов, мы еще не осознавали, что они действительно должны представлять собой аналог звезд - в том смысле, что обладают стабильностью с точки зрения гидростатики и излучают свет оптического диапазона. Теперь, когда мы это поняли, мы стали лучше понимать, как они выглядели: это гигантские "раздувшиеся" звездоподобные объекты, которые, например, при массе порядка солнечной имели радиус, сопоставимый с радиусом земной орбиты. При этом они могли также без проблем вырастать и до тысяч или даже миллионов солнц!"

Темные звезды способны расти неограниченно, пока им хватает аккрецирующего темного вещества из окрестностей. Их "рыхлость" позволяет избежать катастрофического коллапса, грозящего превращением в черную дыру. Впрочем, со временем большинство темных звезд, вероятно, все же покидало свои места в центрах гало из темного вещества. Тогда приток "топлива", состоящего из WIMPs, прекращался, и такая звезда обязана была сжаться (коллапсировать) и либо зажечь в себе реакции ядерного синтеза и "лечь" на главную последовательность на диаграмме Герцшпрунга-Рессела, занимаемую обычными звездами, либо (в случае катастрофически большой массы) - превратиться в черную дыру (диаграмма Герцшпрунга-Рессела представляет собой графическое отображение зависимости абсолютной звездной величины от спектрального класса звезд). Ученые подсчитали, что темные звезды в изначальной своей ипостаси могли просуществовать не менее миллиона лет, ну а затем, уже в качестве более привычного для нас объекта, жили еще миллиарды лет и могли при этом сохраниться до нашего времени.

Ученые предсказывают, что возможность обнаруживать темные звезды должна появиться вместе с появлением новых поколений телескопов. Кроме того, с помощью нейтринных телескопов можно попытаться уловить от них потоки нейтрино. Дело в том, что в отличие от обычной звезды главной последовательности, темные звезды, которые исчерпали запасы своего темного вещества и начали использовать энергию ядерного синтеза, должны выглядеть гораздо холоднее и "толще". И хотя все темные звезды достаточно большой массы обречены в конечном счете превратиться в черные дыры, их конец все же будет иметь принципиальные отличия от "традиционных" первых звезд (без темного вещества), взрывающихся напоследок в виде сверхновых.

Как известно, сверхновые после вспышки наполняют окружающее пространство тяжелыми химическими элементами, поэтому по относительной распространенности тех или иных элементов во Вселенной (которую можно оценить с весьма высокой точностью) можно в принципе понять, какой из сценариев "начала времен" был реализован на самом деле. Ответ на этот вопрос мы должны узнать в течение ближайших пяти лет.

Еще одно интересное следствие новой теории заключается в том, что темные звезды могут выдать нам некоторые свойства темного вещества, например, его состав. Поскольку продукты аннигиляции различных частиц темной материи будут разными, то процентный состав вещества Вселенной вполне может раскрыть информацию о массе исходных частиц, механизмах их самоуничтожения и т.д.

Фриз также надеется на то, что темные звезды помогут узнать нам тайну происхождения сверхмассивных черных дыр, которая до сих пор еще не раскрыта. "До сих пор мы строили модели темных звезд, масса которых не превышала тысячу солнц, - говорит она. - Однако если темное вещество при этом продолжает накапливаться (захваченное из окружающего пространства), то такие объекты могут в конечном итоге вырасти еще больше, возможно, даже в миллион раз превысить массу Солнца. Изучение этого вопроса - ближайшая цель нашей исследовательской деятельности". Идея таких сверхмассивных объектов впервые была предложена в 1960-х гг. Уильямом Фаулером и Фредом Хойлом (W.A. Fowler, F. Hoyle), однако никто тогда не знал, как же они могут появиться на свет. Если новая теория верна, то будущие исследования помогут описать процесс рождения во Вселенной сверхмассивных черных дыр, появившихся на заре Вселенной в центрах будущих галактик (ведь есть примеры черных дыр массой в миллиарды солнц).

Не все астрономы с энтузиазмом воспринимают новую концепцию. Так, известный ученый Абрахам Лёб (Abraham Loeb) из Гарвард-Смитсонианского астрофизического центра (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics - CfA, Кембридж, штат Массачусетс) считает, что идея темных звезд опирается на весьма сомнительные предположения, и реальное темное вещество совсем не обязательно будет концентрироваться в достаточных количествах (даже в пределах сверхгигантских звезд) для того, чтобы произвести предложенные эффекты.

Источники:
Stars Fueled by Dark Matter Could Hold Secrets to the Universe - PhysOrg.com
Dark Stars: a new look at the First Stars in the Universe (Douglas Spolyar, Peter Bodenheimer, Katherine Freese, Palo Gondolo) - arXiv.org

Ссылки:
Drowning in Dark Matter? - ScienceNOW Daily News
Were The First Stars Dark? - University of Utah News Release
Earliest stars may have been 'dark,' study finds - Salt Lake Tribune
Первые звёзды во Вселенной питались тёмной материей - "Мембрана"
The Effect of Dark Matter on the First Stars: A New Phase of Stellar Evolution - arXiv.org - astro-ph


Максим Борисов, 11.11.2009


новость Новости по теме