Звезды, питаемые темной материей, могут быть недостающим звеном, стоящим за самыми странными и захватывающими космическими открытиями JWST.
UHZ1, галактика-рекордсмен, расположенная на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет, была обнаружена, когда возраст Вселенной составлял всего 3% от ее нынешнего возраста. UHZ1 вызывает недоумение, поскольку в нем находится сверхмассивная черная дыра, которая не могла быть засеяна даже обычными звездами, учитывая ее массу и очень малое время для роста черной дыры. Таким образом, считается, что UHZ1 является свидетельством существования сверхмассивных звезд, которые при коллапсе образуют сверхмассивную черную дыру, питающую квазар в ее центре. В этом исследовании авторы показывают, как UHZ1 могла содержать сверхмассивную черную дыру, образовавшуюся в результате коллапса темной звезды. Механизмы, выявленные авторами, не ограничиваются UHZ1 — они дают возможность объяснить поведение массивных галактик с черными дырами, ярким примером которых является UHZ1. Фото: Рентгеновский снимок: NASA/CXC/SAO/Акос Богдан; Инфракрасный снимок: NASA/ESA/CSA/STScI; Обработка изображений: NASA/CXC/SAO/L. Фраттаре и К. Арканд
В новом исследовании, проведенном под руководством доцента кафедры физики и астрономии Colgate Космина Илие в сотрудничестве с 23-летней Джиллиан Полин из Пенсильванского университета, Андреей Петрик из Научного института космического телескопа и Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине, предлагается единая идея, которая могла бы решить три главные загадки Вселеннойсамая ранняя эпоха. Исследователи предполагают, что темные звезды могут помочь объяснить появление неожиданно ярких галактик- «голубых монстров», присутствие очень массивных черных дыр в чрезвычайно ранние периоды и странные объекты, известные как «маленькие красные точки», которые видны на снимках космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST).
Самые ранние звезды образовались в областях, где преобладала темная материя, а именно в центрах небольших структур темной материи, называемых микрогало. Через несколько сотен миллионов световых лет после Большого взрыва облака из водорода и гелия остыли настолько, что начали разрушаться под действием собственной гравитации. Этот процесс привел к рождению первых звезд и ознаменовал начало космического рассвета, периода формирования Вселенной.
В это время условия, возможно, позволили сформироваться звездам редкого типа. Эти звезды могут питаться не только за счет ядерного синтеза, но и за счет энергии, выделяющейся при аннигиляции частиц темной материи. Известные как темные звезды, такие объекты могут вырасти до огромных размеров и естественным образом превратиться в зародыши, которые впоследствии станут сверхмассивными черными дырами.
JWST обнаружил неожиданные ранние галактики
В настоящее время JWST наблюдал самые удаленные объекты из когда-либо изученных, предлагая беспрецедентный взгляд на раннюю Вселенную. Эти наблюдения поставили под сомнение давние теории о том, как образовались первые звезды и галактики. Одним из самых удивительных открытий является наличие большого количества галактик, известных как «голубые монстры». Эти галактики чрезвычайно яркие, очень компактные и практически не содержат пыли.
До JWST ни одно моделирование или теоретические модели не предсказывали, что галактики с такими свойствами должны были существовать на столь раннем этапе космической истории. Их открытие заставило астрономов пересмотреть вопрос о том, как быстро могли образоваться звезды и галактики.
Сверхмассивные черные дыры и маленькие красные точки
Данные JWST также подтвердили сохраняющуюся загадку, связанную со сверхмассивными черными дырами. Некоторые из самых ранних наблюдаемых галактик, по-видимому, содержат черные дыры, которые намного больше, чем ожидалось для их возраста. Объяснение того, как зародыши этих сверхмассивных черных дыр (SMBH), которые оказались больше, чем ожидалось, сформировались так быстро, остается серьезной проблемой.
Кроме того, JWST обнаружил новую категорию компактных объектов, известных как «маленькие красные точки» (LRD). Эти непыльные источники появились на заре космонавтики и необычны тем, что практически не испускают рентгеновского излучения, чего астрономы не ожидали, основываясь на существующих моделях.
Почему современные модели не оправдывают ожиданий
Взятые вместе, голубые галактики-монстры, ранние сверхмассивные черные дыры и маленькие красные точки указывают на серьезные пробелы в теориях раннего образования галактик и черных дыр, существовавших до JWST. Полученные данные свидетельствуют о том, что общепринятые модели нуждаются в существенном обновлении, чтобы объяснить то, что сейчас видит JWST.
«Некоторые из наиболее важных загадок, связанных с данными JWST о космическом рассвете, на самом деле являются элементами теории темных звезд», — сказал Илие.
Появляется все больше свидетельств существования темных звезд
Хотя прямые наблюдения за темными звездами еще не подтвердили их существование, новое исследование подтверждает их существование. Он основан на фотометрических и спектроскопических данных о кандидатах в темные звезды, выявленных в двух отдельных исследованиях PNAS, опубликованных в 2023 и 2025 годах соответственно.
Авторы подробно описывают, как темные звезды могут объяснить свойства голубых галактик-монстров, маленьких красных точек и ранних галактик, в которых находятся массивные черные дыры. В статье также представлены результаты новейшего спектроскопического анализа, свидетельствующие об отличительных особенностях поглощения гелия в спектре JADES-GS-13-0. Аналогичная особенность ранее была выявлена в JADES-GS-14-0.
Почему темные звезды имеют значение
Темные звезды являются одними из самых интригующих теоретических объектов в современной астрофизике. В случае подтверждения они могут предложить способ непосредственного исследования свойств частиц темной материи. Это дополнит текущие усилия по обнаружению темной материи в лабораторных экспериментах на Земле, будь то путем прямого обнаружения или получения частиц, и может помочь связать космические наблюдения с фундаментальной физикой.