Темная материя может создать темные карлики в центре Млечного Пути

Фото из открытых источников

Тёмная материя — одна из самых запутанных загадок природы. Она не даёт спать физикам, изучающим элементарные частицы, и космологам, прикованным к своим суперкомпьютерным симуляциям. Мы знаем, что она реальна, потому что её масса не даёт галактикам распадаться. Но мы не знаем, что это такое.

Тёмная материя не любит другую материю и, возможно, предпочитает своё собственное общество. Хотя она, по-видимому, не взаимодействует с обычной барионной материей, она, возможно, может реагировать сама с собой и самоуничтожаться. Для этого ей нужна плотная среда, и это может помочь астрофизикам наконец обнаружить её.

Новое теоретическое исследование описывает, как это может происходить, и утверждает, что субзвёздные объекты, в основном коричневые карлики, могут быть источниками этого процесса. Исследование было опубликовано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ведущий автор — Джуна Крун, физик-теоретик и доцент Института феноменологии физики элементарных частиц физического факультета Даремского университета.

Коричневые карлики — это субзвёздные объекты, крупнее планет, но недостаточно массивные, чтобы запустить реакцию термоядерного синтеза водорода. Образование коричневых карликов происходит по тому же сценарию, что и у звёзд. Но, к сожалению, аккреция газа тормозит их рост. Они не могут стать достаточно массивными, чтобы запустить реакцию термоядерного синтеза водорода, и обречены на пожизненное затмение. Они генерируют некоторое количество тепла за счёт кратковременной реакции термоядерного синтеза дейтерия и гравитационного сжатия, но никогда не будут светить так ярко, как звёзды.

По светимости они тусклее белых карликов, но немного ярче газовых гигантов, таких как Юпитер. Со временем коричневые карлики остывают и становятся всё более тусклыми. Известно, что коричневые карлики трудно обнаружить из-за их тусклости и малой массы.

Крун и её коллеги предполагают, что аннигиляция тёмной материи может сделать некоторые коричневые карлики доступными для обнаружения. Частицы тёмной материи могут быть своими собственными античастицами и способны аннигилировать друг с другом при высокой плотности. Согласно закону E=mc², их аннигиляция преобразует их массу в энергию и порождает частицы Стандартной модели, такие как фотоны, электроны и позитроны.

«Тёмная материя взаимодействует гравитационно, поэтому она может захватываться звёздами и накапливаться внутри них», — пояснил соавтор исследования профессор Джереми Сакштейн из Гавайского университета. «Если это произойдёт, она также может взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, выделяя энергию, нагревающую звезду».

Вблизи центра галактики тёмной материи больше, и авторы полагают, что именно здесь её может накопиться достаточно, чтобы коричневые карлики самоуничтожились. Когда это происходит, возникает другой тип субзвёздных объектов: тёмные карлики.

«Эти объекты собирают тёмную материю, которая помогает им стать тёмными карликами. Чем больше тёмной материи вокруг, тем больше её можно захватить», — объясняет Сакштейн. «И чем больше тёмной материи окажется внутри звезды, тем больше энергии будет произведено при её аннигиляции».

Существует множество частиц-кандидатов на роль тёмной материи. Одна из них — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), и эта теоретическая модель работает только в том случае, если WIMP действительно являются тёмной материей. «Для существования тёмных карликов тёмная материя должна состоять из WIMP, или любых тяжёлых частиц, которые взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что производят видимую материю», — говорит Сакштейн.

Если мы сможем обнаружить эти тёмные карлики, мы, по сути, обнаружим тёмную материю. Обнаружение основано на литии-7, природном изотопе лития, который является самым распространённым и стабильным из всех изотопов лития. Обычные коричневые карлики истощают свой запас лития-7, в то время как тёмные карлики его сохраняют.

«ДД-карлики физически отличаются от коричневых/красных карликов по нескольким параметрам», — пишут авторы. Они немного массивнее и питаются преимущественно аннигиляцией тёмной материи с добавлением термоядерного синтеза стабильного водорода. Их светимость, радиусы и эффективные температуры постоянны во времени. Авторы также объясняют, что эти тёмные карлики сохраняют свой литий, в то время как у коричневых карликов он истощается в результате ядерного горения.

«Тест на литиевое содержание — основной метод подтверждения принадлежности объекта к коричневому карлику», — пишут исследователи. Астрономы используют линии лития в спектрах звёзд, чтобы отслеживать динамику температуры ядра коричневых карликов и молодых звёзд и определять, в какой эволюционной эпохе они находятся.

«Обнаружение лития-7 в объектах, тяжелее предела горения лития, будет свидетельствовать о существовании нагревания тёмной материи», — пишут исследователи в своей статье. «Следствием этого является то, что DD-звезды можно идентифицировать по повышенному содержанию лития, несмотря на относительно большую массу и большой возраст звёзд». Они также показывают, что количество лития, сохраняющееся с течением времени, зависит от массы и плотности тёмной материи.

«Было несколько маркеров, но мы предположили литий-7, потому что это был бы действительно уникальный эффект», — пояснил Сакштейн. Обычные звёзды быстро потребляют литий-7. «Поэтому, если бы удалось найти объект, похожий на тёмного карлика, можно было бы искать присутствие этого лития, потому что его бы не было, если бы это был коричневый карлик или подобный объект».

Тёмные карлики — чрезвычайно холодные объекты, и хотя JWST, возможно, сможет их обнаружить, существует и другой способ, считает Сакштейн. «Ещё один способ — рассмотреть всю популяцию объектов и статистически определить, можно ли её лучше описать, выделяя подпопуляцию тёмных карликов, или нет».

Обнаружение тёмных карликов во многом помогло бы ответить на вопрос о природе тёмной материи. Если бы нам удалось обнаружить несколько тёмных карликов, это укрепило бы идею о том, что тёмная материя — это вимпы.

«С лёгкими кандидатами на тёмную материю, вроде аксиона, я не думаю, что удастся получить что-то вроде тёмного карлика. Они не накапливаются внутри звёзд. Если нам удастся найти тёмный карлик, это даст убедительное доказательство того, что тёмная материя тяжёлая и сильно взаимодействует сама с собой, но лишь слабо со Стандартной моделью. Это включает в себя классы вимпов, но также и некоторые другие, более экзотические модели», — заключает Сакштейн. «Наблюдение за темным карликом не дало бы нам окончательного заключения о том, что темная материя — это WIMP, но это означало бы, что это либо WIMP, либо нечто, что по всем параметрам ведет себя как WIMP».