Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), возможно, зафиксировал четыре кандидата в «темные звезды» — теоретический тип звезд, существовавших в ранней Вселенной и получавших энергию не от ядерного синтеза, а от аннигиляции темной материи. Анализ данных одного из этих объектов, JADES-GS-z14-0, показал наличие ключевого признака, который может подтвердить эту гипотезу. Результаты исследования были опубликованы 30 сентября в журнале PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Теория темных звезд была впервые предложена в 2007 году Кэтрин Фриз, профессором физики в Техасском университете в Остине. Согласно этой гипотезе, темные звезды относятся к первому поколению звезд во Вселенной, известных как звезды Популяции III. Они формировались из коллапсирующих облаков водорода и гелия, смешанных с высокой концентрацией темной материи. Без участия темной материи такие массивные облака газа, скорее всего, сколлапсировали бы напрямую в черные дыры.
Несмотря на свое название, которое соавтор исследования Кэтрин Фриз называет «не совсем удачным», эти объекты не являются ни темными, ни состоящими полностью из темной материи. Теоретически, они могут достигать массы в миллион раз больше массы Солнца и светить в миллиард раз ярче. Подтверждение их существования могло бы объяснить одну из главных загадок космологии — появление сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, которые сформировались слишком быстро для стандартных моделей.
Поиск кандидатов проводился с использованием данных, полученных в рамках обзора JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Ученые использовали спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) для анализа световых спектров удаленных объектов, что позволило определить их температуру, массу и химический состав. Критерии отбора были строгими: объекты должны были находиться на красном смещении не менее 10 (что соответствует возрасту Вселенной около 500 миллионов лет после Большого взрыва), состоять только из водорода и гелия и представлять собой единый, обособленный источник.
В результате анализа были отобраны четыре кандидата: JADES-GS-z11-0, JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z14-0 и JADES-GS-z14-1. Наибольший интерес представляет JADES-GS-z14-0, который является вторым по удаленности объектом, когда-либо наблюдавшимся телескопом «Уэбб». В его спектре была обнаружена уникальная особенность, названная «неопровержимым доказательством» — линия поглощения на длине волны 1640 ангстрем, вызванная поглощением света однократно ионизированными атомами гелия. Авторы исследования утверждают: «Никакие другие известные объекты с высоким красным смещением не должны создавать такую линию поглощения».
Однако гипотезу о темной звезде усложняют данные, полученные с помощью комплекса телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) в Чили. Наблюдения показали, что объект JADES-GS-z14-0 излучает кислород. Это создает проблему, поскольку кислород является продуктом ядерного синтеза — процесса, который питает обычные звезды, но не должен происходить в темных звездах. «Это меня немного беспокоит», — призналась Кэтрин Фриз.
В ответ на это противоречие соавтор исследования Космин Илие, физик из Колгейтского университета в Нью-Йорке, заявил, что команда проводит компьютерное моделирование. Цель симуляций — определить, какое максимальное количество кислорода может присутствовать в газовом облаке, прежде чем формирование темной звезды станет невозможным.
Концепция темных звезд остается весьма спорной и не является общепринятой в научном сообществе. Дэниел Уэйлен, космолог из Портсмутского университета в Великобритании, не принимавший участия в исследовании, отметил, что «большинство специалистов по звездам Популяции III на самом деле не думают, что,,сжигатели" темной материи [темные звезды] могут формироваться».
Основная критика Уэйлена заключается в том, что авторы не смогли исключить альтернативное объяснение. По его словам, «слоном в комнате» является возможность того, что наблюдаемые объекты — это сверхмассивные первичные звезды. Он настаивает на необходимости сравнения полученных спектральных данных с моделями обоих типов объектов, чтобы исключить один из них.
Космин Илие парирует этот аргумент, указывая на разницу в продолжительности жизни. Сверхмассивные первичные звезды существуют очень недолго, в то время как темные звезды, по теории, могут существовать гораздо дольше. Таким образом, если в будущем будет обнаружено множество подобных объектов, статистически более вероятным будет их отнесение к долгоживущим темным звездам. Для окончательного разрешения этой научной загадки Кэтрин Фриз и ее команда работают над автоматизацией метода поиска, чтобы найти больше кандидатов в данных телескопа «Уэбб».
Изображение носит иллюстративный характер
Теория темных звезд была впервые предложена в 2007 году Кэтрин Фриз, профессором физики в Техасском университете в Остине. Согласно этой гипотезе, темные звезды относятся к первому поколению звезд во Вселенной, известных как звезды Популяции III. Они формировались из коллапсирующих облаков водорода и гелия, смешанных с высокой концентрацией темной материи. Без участия темной материи такие массивные облака газа, скорее всего, сколлапсировали бы напрямую в черные дыры.
Несмотря на свое название, которое соавтор исследования Кэтрин Фриз называет «не совсем удачным», эти объекты не являются ни темными, ни состоящими полностью из темной материи. Теоретически, они могут достигать массы в миллион раз больше массы Солнца и светить в миллиард раз ярче. Подтверждение их существования могло бы объяснить одну из главных загадок космологии — появление сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной, которые сформировались слишком быстро для стандартных моделей.
Поиск кандидатов проводился с использованием данных, полученных в рамках обзора JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Ученые использовали спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) для анализа световых спектров удаленных объектов, что позволило определить их температуру, массу и химический состав. Критерии отбора были строгими: объекты должны были находиться на красном смещении не менее 10 (что соответствует возрасту Вселенной около 500 миллионов лет после Большого взрыва), состоять только из водорода и гелия и представлять собой единый, обособленный источник.
В результате анализа были отобраны четыре кандидата: JADES-GS-z11-0, JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z14-0 и JADES-GS-z14-1. Наибольший интерес представляет JADES-GS-z14-0, который является вторым по удаленности объектом, когда-либо наблюдавшимся телескопом «Уэбб». В его спектре была обнаружена уникальная особенность, названная «неопровержимым доказательством» — линия поглощения на длине волны 1640 ангстрем, вызванная поглощением света однократно ионизированными атомами гелия. Авторы исследования утверждают: «Никакие другие известные объекты с высоким красным смещением не должны создавать такую линию поглощения».
Однако гипотезу о темной звезде усложняют данные, полученные с помощью комплекса телескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) в Чили. Наблюдения показали, что объект JADES-GS-z14-0 излучает кислород. Это создает проблему, поскольку кислород является продуктом ядерного синтеза — процесса, который питает обычные звезды, но не должен происходить в темных звездах. «Это меня немного беспокоит», — призналась Кэтрин Фриз.
В ответ на это противоречие соавтор исследования Космин Илие, физик из Колгейтского университета в Нью-Йорке, заявил, что команда проводит компьютерное моделирование. Цель симуляций — определить, какое максимальное количество кислорода может присутствовать в газовом облаке, прежде чем формирование темной звезды станет невозможным.
Концепция темных звезд остается весьма спорной и не является общепринятой в научном сообществе. Дэниел Уэйлен, космолог из Портсмутского университета в Великобритании, не принимавший участия в исследовании, отметил, что «большинство специалистов по звездам Популяции III на самом деле не думают, что,,сжигатели" темной материи [темные звезды] могут формироваться».
Основная критика Уэйлена заключается в том, что авторы не смогли исключить альтернативное объяснение. По его словам, «слоном в комнате» является возможность того, что наблюдаемые объекты — это сверхмассивные первичные звезды. Он настаивает на необходимости сравнения полученных спектральных данных с моделями обоих типов объектов, чтобы исключить один из них.
Космин Илие парирует этот аргумент, указывая на разницу в продолжительности жизни. Сверхмассивные первичные звезды существуют очень недолго, в то время как темные звезды, по теории, могут существовать гораздо дольше. Таким образом, если в будущем будет обнаружено множество подобных объектов, статистически более вероятным будет их отнесение к долгоживущим темным звездам. Для окончательного разрешения этой научной загадки Кэтрин Фриз и ее команда работают над автоматизацией метода поиска, чтобы найти больше кандидатов в данных телескопа «Уэбб».
