Темная материя может сделать самые внутренние звезды нашей галактики бессмертными

Звезды вблизи центра нашей галактики ведут себя странно. Объяснением может быть темная материя.

Команда научных детективов обнаружила потенциально новый класс звезд, существующих в пределах светового года от центра Млечного Пути и работающих по необычному механизму: аннигиляции темной материи. Этот процесс будет оказывать на звезды внешнее давление в дополнение к термоядерному синтезу, удерживая их от гравитационного коллапса и делая их по сути бессмертными, а их молодежь — постоянно обновляющейся. Результаты опубликованы на сервере препринтов arXiv.

В совокупности звезды, питаемые темной материей, будут обитать в новой области давно установленной диаграммы, которая классифицирует звезды по их температуре и светимости, располагая их далеко от так называемой главной последовательности, где существует подавляющее большинство звезд.

Наблюдать за нашим галактическим центром, вокруг которого вращаются звезды галактики, довольно сложно, поскольку эта область чрезвычайно яркая. В центре находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*, масса которой в четыре миллиона раз больше массы Солнца. Она является ярким источником радиоволн и была запечатлена в 2022 году. Звезды вблизи Sgr A* вращаются вокруг нее со скоростью несколько тысяч километров в секунду (для сравнения, орбитальная скорость Солнца составляет 240 км/с).

Эти близкие внутренние звезды, называемые звездами скопления S, очень загадочны и по своим свойствам не похожи ни на какие другие звезды в Млечном Пути. Их происхождение неизвестно, поскольку среда в радиусе трех световых лет от центра считается враждебной для звездообразования. Они выглядят гораздо моложе, чем можно было бы ожидать, если бы они прилетели откуда-то из другого места. Самое загадочное, что они кажутся необычно молодыми, в их окрестностях меньше старых звезд, чем ожидалось, и, похоже, там также неожиданно много тяжелых звезд.

Звезды — это ядерные печи, вырабатывающие тепло за счет сжигания водорода в результате ядерного синтеза. Тепловое излучение от этой реакции, а также термодинамическая конвекция звездной плазмы оказывают внешнее воздействие на компоненты звезды — в основном водород и гелий. Эта сила уравновешивается внутренней силой самогравитации.

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела (HR) классифицирует звезды путем построения зависимости их светимости от эффективной температуры поверхности. За исключением белых карликов и красных гигантов, «главная последовательность» на этой диаграмме изгибается от левого верхнего угла к правому нижнему, и большинство звезд попадает на эту кривую. (Солнце находится примерно посередине, поскольку их светимость показана как отношение их яркости к яркости Солнца). Звезды в разных местах последовательности соответствуют звездам разной массы и возраста.

Однако в галактике существует и темная материя. О ее наличии было сделано заключение благодаря наблюдениям, которые обнаружили недостаточное количество обычной материи для объяснения более высоких, чем ожидалось, скоростей вращения звезд вокруг галактического центра.

Плотность темной материи наиболее высока вблизи центра и уменьшается по мере удаления от него. Разумно ожидать, что она будет включаться в состав звезд вблизи центра, где плотность темной материи наиболее высока. Если это так, то аннигиляция темной материи (частицы и античастицы темной материи сталкиваются и производят фотоны, электроны и т. д.) будет оказывать дополнительное внешнее давление внутри звезды и может даже доминировать над ядерным синтезом.

Исследовательская группа из Стокгольма и Стэнфорда обнаружила, что включение силы темной материи в динамику самых внутренних звезд — тех, что находятся на расстоянии около трети светового года от центра (что эквивалентно примерно 8 % расстояния до ближайшей звезды на Солнце), — позволяет разрешить многие известные парадоксы.

Чтобы учесть аннигиляцию темной материи, команда использовала относительно стандартные параметры звездообразования на всем эволюционном пути Млечного Пути и частицы темной материи, лишь немного превышающие по массе протон. Используя компьютерную модель звездной эволюции, они предположили, что звезды мигрируют по главной последовательности к галактическому центру, а затем начинают вводить энергию темной материи в состав звезды. Затем звезда эволюционирует до тех пор, пока не достигнет ветви красных гигантов на диаграмме HR или возраста 10 миллиардов лет — времени существования Млечного Пути.

Они рассчитали численность звездного населения без присутствия и с присутствием темной материи. Из-за темной энергии более массивные звезды имели меньшую плотность темной материи, водород в их ядрах плавился медленнее, и их эволюция замедлялась. Но звезды в области с более высокой плотностью темной материи существенно изменились — они поддерживали равновесие, сжигая темную материю с меньшим количеством или вовсе без термоядерного синтеза, что привело к появлению новой звездной популяции в области HR над главной последовательностью.

«Наше моделирование показывает, что звезды могут выжить только при наличии темной материи в качестве топлива, — говорит ведущий соавтор Изабель Джон из Стокгольмского университета, — а поскольку вблизи галактического центра находится чрезвычайно большое количество темной материи, эти звезды становятся бессмертными». Они остаются вечно молодыми, занимая новую, отчетливую, наблюдаемую область диаграммы HR».

Их модель темной материи, возможно, сможет объяснить больше известных загадок. «В наших симуляциях мы видим, что более легкие звезды сильно раздуваются и даже могут потерять некоторые из своих внешних слоев», — говорит Джон. Она отметила, что «нечто подобное можно наблюдать в центре Галактики: так называемые G-объекты, которые могут быть звездообразными, но с газовым облаком вокруг них».

Известно лишь ограниченное число отдельных звезд, расположенных так близко к галактическому центру, как очень яркая область. Будущие 30-метровые телескопы смогут увидеть этот регион гораздо лучше, что позволит ученым лучше понять его звездное население и подтвердить или исключить наличие темной главной последовательности.