Темні карлики можуть виявити природу темної матерії

Нещодавно запропонований клас зоряних об’єктів — темні карлики — може стати ключем до розгадки природи темної матерії, однієї з найзагадковіших складових Всесвіту.

Новий тип зоряного об’єкта, який отримав назву «темний карлик», може ховатися в самому центрі нашої галактики. Ці слабкі зірки з малою масою можуть живитися не за рахунок термоядерного синтезу, а за рахунок анігіляції частинок темної матерії, що, можливо, розкриє таємничу природу однієї з найбільших загадок Всесвіту. (Художня концепція). Джерело: SciTechDaily.com

Темні карлики — це зіркоподібні тіла з дуже низькою масою (близько 8% маси Сонця), якої недостатньо для запуску термоядерного синтезу в їхніх надрах. За своєю природою вони схожі на коричневі карлики, які також не досягають критичної маси для утворення гелію з водню. Однак в умовах підвищеної концентрації темної матерії, наприклад у центрі галактик, такі об’єкти можуть поводитися інакше. “Ці об’єкти збирають темну матерію, яка допомагає їм стати темним карликом”, — пояснює Джеремі Сакштейн з Гавайського університету.

Суть полягає в тому, що частинки темної матерії можуть накопичуватись у надрах зірок. Якщо ці частинки — так звані WIMPs (слабко взаємодіючі масивні частинки), то, накопичуючись, вони здатні анігілювати одна з одною, вивільняючи енергію. Саме ця енергія й підтримує світіння темного карлика. Важливо, що це можливо лише за участі масивних частинок, здатних сильно взаємодіяти між собою, але майже не взаємодіяти зі звичайною матерією. Аксіони, стерильні нейтрино або інші легкі кандидати на роль темної матерії не здатні забезпечити подібну поведінку.

“Якщо ми знайдемо хоча б один темний карлик, це стане сильним доказом того, що темна матерія складається з WIMPs”, — наголошує Сакштейн. Це не стане остаточним підтвердженням, але буде потужним непрямим доказом, що темна матерія важка, самовзаємодіюча і здатна анігілювати.

Для виявлення темного карлика науковці пропонують використовувати унікальний індикатор — наявність ізотопу літію-7. Цей ізотоп зазвичай швидко згорає в ядрах звичайних зірок або коричневих карликів. Але в темних карликах він може зберігатися через відсутність термоядерних процесів. “Якщо ви зможете знайти об’єкт, схожий на темний карлик, і там буде літій-7 — це буде дуже показово”, — зазначає Сакштейн.

Нинішні астрономічні інструменти, зокрема космічний телескоп Джеймса Вебба, вже мають достатню чутливість для фіксації дуже холодних і тьмяних небесних тіл, подібних до темних карликів. Проте замість фокусування на окремих об’єктах, можливий також статистичний аналіз популяції зірок: якщо частина з них не відповідає характеристикам звичайних карликів — це може вказувати на наявність нової підкатегорії.

Поява концепції темного карлика — це не лише розширення зоряної класифікації, а й спроба поєднати астрофізику з частинковою фізикою. “Темна матерія взаємодіє гравітаційно, тому вона може бути захоплена зірками і накопичуватись усередині них”, — пояснює Сакштейн. Саме завдяки цим властивостям темні карлики стають природними лабораторіями для вивчення темної матерії у дії.

На відміну від звичайних зір, які світяться завдяки термоядерному синтезу, темні карлики світяться завдяки процесу, що живиться темною матерією. Якщо їх вдасться виявити, це стане вагомим кроком у напрямку розв’язання одного з найбільших викликів сучасної науки — з’ясування природи невидимої маси, що формує архітектуру Всесвіту.