|
Темные карлики намекают на природу темной материи
|
|
|
|
Небесные объекты, известные как темные карлики, могут скрываться в центре нашей галактики и могут дать ключевые подсказки для раскрытия природы одного из самых загадочных и фундаментальных явлений в современной космологии - темной материи.
|
|
|
|
В статье, опубликованной в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics группой исследователей из Великобритании и Гавайев, впервые описываются эти объекты и предлагается, как проверить их существование с помощью современных инструментов наблюдения, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба. Статья называется "Темные карлики: Субзвездные объекты, питаемые темной материей, ожидающие открытия в центре Галактики".
|
|
|
|
Англо-американская команда, проводившая исследование, назвала их темными карликами. Не потому, что они являются темными телами — напротив, — а из-за их особой связи с темной материей, одной из самых центральных тем в современных исследованиях космологии и астрофизики.
|
|
|
|
"Мы считаем, что 25% Вселенной состоит из вещества, которое не излучает свет, что делает его невидимым для наших глаз и телескопов. Мы обнаруживаем его только благодаря гравитационным эффектам. Вот почему мы называем это темной материей", - объясняет Джереми Сакштейн, профессор физики Гавайского университета и один из авторов исследования.
|
|
|
|
|
|
|
Все, что мы знаем сегодня о темной материи, — это то, что она существует и как она себя ведет, но еще не то, что она собой представляет на самом деле. За последние 50 лет было выдвинуто несколько гипотез, но ни одна из них пока не получила достаточного экспериментального подтверждения, чтобы одержать верх. Исследования, подобные исследованию Сакштейна и его коллег, важны, поскольку они предлагают конкретные инструменты для выхода из этого тупика.
|
|
|
|
Среди наиболее известных кандидатов на роль темной материи - слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — очень массивные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с обычной материей: они проходят сквозь предметы незамеченными, не излучают свет и не реагируют на электромагнитные взаимодействия (поэтому они не отражают свет и остаются невидимыми), а также проявляют себя только через свои гравитационные эффекты. Этот тип темной материи был бы необходим для существования темных карликов.
|
|
|
|
"Темная материя взаимодействует гравитационно, поэтому она может захватываться звездами и накапливаться внутри них. Если это произойдет, она может также взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая нагревает звезду", - объясняет Сакштейн.
|
|
|
|
Обычные звезды, подобные нашему солнцу, светят благодаря тому, что в их ядрах происходят процессы ядерного синтеза, при которых выделяется большое количество тепла и энергии. Ядерный синтез происходит, когда масса звезды достаточно велика, и гравитационные силы сжимают вещество к центру с такой интенсивностью, что запускают реакции между атомными ядрами. Этот процесс высвобождает огромное количество энергии, которую мы воспринимаем как свет. Темные карлики тоже излучают свет, но не из—за ядерного синтеза.
|
|
|
|
"Темные карлики - это объекты с очень низкой массой, около 8% массы Солнца", - объясняет Сакштейн. Такой малой массы недостаточно для запуска термоядерных реакций.
|
|
|
|
По этой причине такие объекты, хотя и очень распространены во Вселенной, обычно излучают лишь слабый свет (из—за энергии, вырабатываемой их относительно небольшим гравитационным сжатием) и известны ученым как коричневые карлики.
|
|
|
|
Однако, если коричневые карлики расположены в областях, где темной материи особенно много — например, в центре нашей галактики, — они могут трансформироваться во что-то другое.
|
|
|
|
"Эти объекты собирают темную материю, которая помогает им превратиться в темных карликов. Чем больше темной материи находится вокруг, тем больше ее можно уловить", - объясняет Сакштейн. "И чем больше темной материи оказывается внутри звезды, тем больше энергии образуется в результате ее аннигиляции".
|
|
|
|
Но все это зависит от определенного типа темной материи. "Чтобы темные карлики существовали, темная материя должна состоять из вимпов или любых тяжелых частиц, которые взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что образуют видимую материю", - говорит Сакштейн.
|
|
|
|
Другие кандидаты, предлагаемые для объяснения темной материи, такие как аксионы, нечеткие сверхлегкие частицы или стерильные нейтрино, слишком малы, чтобы произвести ожидаемый эффект в этих объектах. Только массивные частицы, способные взаимодействовать друг с другом и аннигилировать с образованием видимой энергии, могут питать темный карлик.
|
|
|
|
Однако вся эта гипотеза имела бы мало смысла, если бы не было конкретного способа идентифицировать темного карлика. По этой причине Сакштейн и его коллеги предлагают отличительный признак. "Было несколько маркеров, но мы предложили литий-7, потому что это действительно был бы уникальный эффект", - объясняет ученый.
|
|
|
|
Литий-7 очень легко сгорает и быстро расходуется в обычных звездах. "Таким образом, если бы вам удалось найти объект, похожий на темного карлика, вы могли бы поискать присутствие этого лития, потому что его там не было бы, если бы это был коричневый карлик или подобный объект".
|
|
|
|
Такие инструменты, как космический телескоп Джеймса Уэбба, возможно, уже способны обнаруживать чрезвычайно холодные небесные объекты, такие как темные карлики. Но, по словам Сакштейна, есть и другая возможность. "Еще одна вещь, которую вы могли бы сделать, - это посмотреть на всю совокупность объектов и спросить статистическим способом, лучше ли ее описать с помощью подгруппы темных карликов или нет".
|
|
|
|
Если в ближайшие годы нам удастся идентифицировать одного или нескольких темных карликов, насколько убедительной будет эта подсказка в поддержку гипотезы о том, что темная материя состоит из слабаков?
|
|
|
|
"Достаточно сильный. Имея в виду легких кандидатов в темную материю, что-то вроде аксиона, я не думаю, что вы смогли бы получить что-то вроде темного карлика. Они не накапливаются внутри звезд. Если нам удастся найти темного карлика, это станет убедительным доказательством того, что темная материя тяжелая и сильно взаимодействует сама с собой, но лишь слабо согласуется со стандартной моделью. Это включает в себя классы слабаков, но также и некоторые другие, более экзотические модели", - заключает Сакштейн.
|
|
|
|
Наблюдение за темным карликом не позволило бы нам однозначно утверждать, что темная материя является WIMP, но это означало бы, что она либо WIMP, либо нечто, что во всех отношениях ведет себя как WIMP.
|
|
|
|
Источник
|
