|
Темная материя может создавать темных карликов
|
|
|
|
Темная материя - одна из самых загадочных загадок природы. Она не дает покоя физикам, изучающим элементарные частицы, а космологам, занятым моделированием на суперкомпьютерах. Мы знаем, что она реальна, потому что ее масса предотвращает распад галактик. Но мы не знаем, что это такое.
|
|
|
|
Темная материя не любит другую материю и, возможно, предпочитает находиться в одиночестве. Хотя она, по-видимому, не взаимодействует с обычной барионной материей, она, возможно, вступает в реакцию с самой собой и самоаннигилирует. Для этого ему нужна плотная среда, и это может привести к тому, что астрофизики наконец смогут его обнаружить.
|
|
|
|
Новое теоретическое исследование описывает, как это могло произойти, и утверждает, что этот процесс может происходить на субзвездных объектах, в основном на коричневых карликах. Исследование называется "Темные карлики: субзвездные объекты, питаемые темной материей, ожидающие открытия в центре галактики" и опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Ведущим автором является Джуна Крун, физик-теоретик и доцент Института феноменологии физики элементарных частиц при физическом факультете Даремского университета.
|
|
|
|
Коричневые карлики - это субзвездные объекты, которые по размерам превосходят планеты, но недостаточно массивны, чтобы вызвать синтез водорода. Когда коричневые карлики образуются, они следуют тому же процессу, что и звезды. Но, к несчастью для них, накопление газа замедляет их рост. Они не могут стать достаточно массивными, чтобы запустить процесс синтеза водорода, и обречены на вечное затенение. Они выделяют некоторое количество тепла за счет кратковременного слияния дейтерия и гравитационного сжатия, но они никогда не будут сиять так ярко, как это делают звезды.
|
|
|
|
|
|
|
С точки зрения светимости, они тусклее белых карликов, но немного ярче газовых гигантов, таких как Юпитер. Со временем коричневые карлики остывают и становятся все более тусклыми. Известно, что коричневые карлики трудно обнаружить из-за их тусклости и малой массы.
|
|
|
|
Крун и ее коллеги-исследователи предполагают, что аннигиляция темной материи может позволить обнаружить некоторые коричневые карлики. Частицы темной материи могут быть сами по себе античастицами и при высокой плотности могут аннигилировать друг с другом. Согласно E=mc2, их аннигиляция преобразует их массу в энергию и приводит к образованию частиц стандартной модели, таких как фотоны, электроны и позитроны.
|
|
|
|
"Темная материя взаимодействует гравитационно, поэтому она может захватываться звездами и накапливаться внутри них", - объяснил соавтор Джереми Сакстайн в пресс-релизе. "Если это произойдет, она может также взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая нагревает звезду". Сакштейн - профессор физики Гавайского университета.
|
|
|
|
Вблизи центра галактики больше темной материи, и авторы считают, что именно здесь в коричневых карликах может накапливаться достаточное количество темной материи для самоаннигиляции. Когда это происходит, образуется другой тип субзвездных объектов: темные карлики.
|
|
|
|
"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".
|
|
|
|
Существует множество частиц-кандидатов на роль темной материи. Одна из них - слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), и эта теоретическая модель работает только в том случае, если WIMP действительно являются темной материей. "Чтобы существовали темные карлики, темная материя должна состоять из вимпов или любой тяжелой частицы, которая взаимодействует сама с собой настолько сильно, что образует видимую материю", - говорит Сакштейн.
|
|
|
|
Если мы сможем обнаружить эти темные карлики, мы, по сути, обнаружим темную материю. Обнаружение основано на литии-7, природном изотопе лития, который является наиболее распространенным и стабильным из всех изотопов лития. Обычные коричневые карлики истощили бы свой литий-7, в то время как темные карлики сохранили бы его.
|
|
|
|
"DD физически отличаются от коричневых/красных карликов по нескольким параметрам", - пишут авторы. Они немного массивнее и питаются преимущественно за счет аннигиляции DD с добавлением компонента стабильного синтеза водорода. Их светимость, радиусы и эффективные температуры постоянны во времени. Авторы также объясняют, что эти темные карлики сохранили бы свой литий, в то время как он был бы истощен в результате ядерного горения в коричневых карликах.
|
|
|
|
"Литиевый тест - это основной метод подтверждения того, что объект является коричневым карликом", - пишут исследователи. Астрономы используют линии лития в спектрах звезд, чтобы проследить историю изменения температуры в ядре коричневых карликов и молодых звезд и определить, в какую эволюционную эпоху они входят.
|
|
|
|
"Обнаружение лития-7 в предметах, масса которых превышает допустимый предел горения лития, может свидетельствовать о существовании нагрева DM", - пишут исследователи в своей статье. "Следствием этого является то, что DD могут быть идентифицированы по их повышенному содержанию лития, несмотря на относительно большую массу и старый возраст звезд". Они также показывают, что количество лития, удерживаемого с течением времени, зависит от массы и плотности темной материи.
|
|
|
|
"Было несколько маркеров, но мы предложили литий-7, потому что это действительно дало бы уникальный эффект", - объяснил Сакштейн. Обычные звезды быстро поглощают литий-7. "Таким образом, если бы вы смогли найти объект, похожий на темного карлика, вы могли бы найти присутствие этого лития, потому что его там не было бы, если бы это был коричневый карлик или подобный объект".
|
|
|
|
Темные карлики - чрезвычайно холодные объекты, и, хотя JWST, возможно, сможет их обнаружить, по словам Сакштейна, может быть и другой способ. "Еще одна вещь, которую вы могли бы сделать, - это рассмотреть всю совокупность объектов и задать статистический вопрос, лучше ли ее описать, используя подгруппу темных карликов или нет".
|
|
|
|
Обнаружение темных карликов во многом помогло бы ответить на вопрос о природе темной материи. Если бы мы смогли обнаружить несколько темных карликов, это укрепило бы идею о том, что темная материя - это слабаки.
|
|
|
|
"При наличии легких кандидатов в темную материю, что-то вроде аксиона, я не думаю, что вы смогли бы получить что-то вроде темного карлика", - сказал Сакштейн. "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 слабаком, но это означало бы, что это либо WIMP, либо нечто, что во всех отношениях ведет себя как WIMP".
|
|
|
|
Источник
|
