Данные «Уэбба» допускают существование тёмных звёзд в ранней Вселенной

Астрономы, изучающие наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб», обнаружили три объекта, свет которых может исходить не от обычных ранних галактик, а от тёмных звёзд, сообщает журнал Sky at Night Magazine. Имеющиеся спектры пока недостаточно ясны, чтобы сделать выбор между этими двумя возможностями.

Объекты входят в группу из 700 вероятных источников ранней Вселенной, выявленных в данных «Уэбба» за 2022 год. Только для девяти из этих источников спектры достаточно точны для детальной идентификации. Один из них подтверждён как ранняя галактика, поскольку его свет содержит признаки нескольких элементов. Ещё три остаются возможными тёмными звёздами или галактиками, тогда как имеющихся данных по остальным объектам недостаточно, чтобы определить их природу.

Это различие важно, поскольку тёмные звёзды позволили бы по-новому взглянуть на формирование первых крупных структур. Они также могли бы помочь объяснить, почему чрезвычайно массивные чёрные дыры наблюдаются на столь раннем этапе космической истории.

Другой тип первых звёзд

Тёмные звёзды — теоретические кандидаты на роль первых звёзд, возникших примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва. Как и обычные ранние звёзды, они начали бы с водорода и гелия, образовавшихся в результате Большого взрыва. Однако первоначально их источником энергии был бы не ядерный синтез.

Считается, что такие звёзды формируются в центрах молодых протогалактик — областях, содержащих особенно большое количество тёмной материи. По мере того как водородный газ начал бы сжиматься, частицы тёмной материи могли бы аннигилировать друг с другом. Образовавшиеся фотоны и другие частицы оказались бы заперты в газе и передали бы энергию тёмной материи формирующемуся объекту.

Эта энергия могла бы остановить сжатие и создать звездообразное тело. Название «тёмная звезда» относится к источнику её энергии, а не к её внешнему виду: такие объекты могли бы быть чрезвычайно яркими. Их недра были бы относительно холодными, с температурой, близкой к температуре поверхности Солнца, но огромные размеры позволили бы им светить очень интенсивно.

Не испуская высокоэнергетическое излучение, возникающее при более высокой температуре поверхности, объект мог бы продолжать накапливать вещество. Теоретические тёмные звёзды со временем могли бы достигать массы, примерно в один миллион раз превышающей массу Солнца, и светить примерно в миллиард раз ярче Солнца. При таких масштабах одна тёмная звезда могла бы выглядеть столь же яркой, как молодая галактика, состоящая из множества обычных звёзд.

Продолжительность их жизни зависела бы от доступа к тёмной материи. Тёмная звезда могла бы оставаться активной миллионы или даже миллиарды лет, пока её снабжали топливом. Если бы она покинула плотную среду, богатую тёмной материей, её источник энергии ослаб, и звезда начала бы сжиматься и нагреваться.

Задача для «Уэбба»: звезда или галактика?

Исследователи используют различия между светом звёзд и галактик, чтобы проверить эту гипотезу. Молодая галактика должна содержать множество звёзд и поэтому демонстрировать в своём спектре признаки широкого набора химических элементов. Тёмная звезда, напротив, должна состоять только из водорода и гелия.

При доступном сейчас разрешении источник любого из двух типов может выглядеть как одна точка света. Галактика в принципе могла бы дать больше информации своим видимым размером или формой, но огромные расстояния делают это затруднительным. Поэтому спектроскопия служит более важным способом проверки, а существующие измерения пока недостаточно точны для трёх объектов, наблюдавшихся «Уэббом».

Журнал Sky at Night Magazine обсудил это исследование с Кэтрин Фриз, директором Института теоретической физики Вайнберга и профессором кафедры физики Техасского университета в Остине. Фриз специализируется на теоретической космологии и физике аст частиц и работала над объяснением, связанным с тёмными звёздами.

Возможные зародыши гигантских чёрных дыр

Тёмные звёзды также могут связать первое поколение звёзд с массивными чёрными дырами, наблюдаемыми в молодой Вселенной. Когда среда, богатая тёмной материей, перестаёт поддерживать очень большую тёмную звезду, её коллапс может завершиться по-разному в зависимости от её массы. У меньшего объекта может сформироваться горячее ядро, питаемое ядерным синтезом. Тёмная звезда, приближающаяся к массе в один миллион Солнц, вместо этого может сколлапсировать в чёрную дыру.

Астрономы обнаружили чёрные дыры массой примерно в миллиард Солнц на неожиданно раннем этапе космической истории. Если многочисленные тёмные звёзды породили зародыши чёрных дыр массой около одного миллиона Солнц, эти зародыши могли бы сливаться и со временем сформировать сверхмассивные чёрные дыры, которые наблюдались в более поздние эпохи.

Следующая возможность проверить интерпретацию, связанную с тёмными звёздами, может появиться благодаря объектам, увеличенным гравитационным линзированием. Когда массивное тело находится между Землёй и далёким источником, его гравитация искривляет свет источника и может увеличивать его. Более точные наблюдения таких естественным образом усиленных объектов ранней Вселенной могли бы дать более чёткие спектры и упростить определение того, являются ли эти кандидаты необычными звёздами или молодыми галактиками.