|
Явный признак сверхмассивных темных звезд
|
|
|
|
Первые звезды во Вселенной образовались из первозданных водородных и гелиевых облаков в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Новые наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) показывают, что некоторые из первых звезд во Вселенной могли сильно отличаться от обычных (работающих на ядерном синтезе), которые астрономы наблюдали и каталогизировали на протяжении тысячелетий.
|
|
|
|
Недавнее исследование, проведенное Космином Илие из Университета Колгейт в сотрудничестве с Шафаатом Махмудом, Джиллиан Полин из UPenn и Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине, выявило четыре чрезвычайно удаленных объекта, которые, как с точки зрения их наблюдаемых спектров, так и морфологии, являются сверхмассивными темные звезды. Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
|
|
|
|
"Сверхмассивные темные звезды - это чрезвычайно яркие, гигантские, но в то же время пышные облака, состоящие в основном из водорода и гелия, которые удерживаются от гравитационного коллапса за счет небольшого количества самоаннигилирующей темной материи внутри них", - сказал Илие.
|
|
|
|
Сверхмассивные темные звезды и остатки их черных дыр могут стать ключом к решению двух недавних астрономических загадок: более крупные, чем ожидалось, чрезвычайно яркие, но компактные, очень далекие галактики, наблюдаемые с помощью JWST, и происхождение сверхмассивных черных дыр, питающих самые отдаленные наблюдаемые квазары.
|
|
|
|
|
|
|
Фриз разработал оригинальную теорию, лежащую в основе темных звезд, совместно с Дугом Споляром и Паоло Гондоло. Они опубликовали свою первую статью по этой теории в журнале Physical Review Letters в 2008 году. В этой статье они предположили, как такие темные звезды могли привести к образованию сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. В публикации 2010 года в журнале Astrophysical Journal Фриз, Илие, Споляр и их коллеги определили два механизма, с помощью которых темные звезды могут вырасти и стать сверхмассивными, и предсказали, что они могут породить сверхмассивные черные дыры, питающие энергией многие из самых отдаленных квазаров во Вселенной.
|
|
|
|
Хотя темная материя составляет около 25% Вселенной, ее природа ускользает от ученых. В настоящее время широко распространено мнение, что темная материя состоит из элементарных частиц нового типа, которые еще предстоит наблюдать или обнаружить. Несмотря на то, что поиски таких частиц ведутся уже несколько десятилетий, убедительных доказательств пока не найдено. Среди ведущих кандидатов на роль темной материи - слабо взаимодействующие массивные частицы. При столкновении эти частицы теоретически должны были бы аннигилировать друг с другом, выделяя тепло в коллапсирующие облака водорода и превращая их в ярко сияющие темные звезды.
|
|
|
|
Условия для образования темных звезд были как раз подходящими через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва и в центре ореолов темной материи. Именно в это время и в этом месте, как ожидается, сформировались первые звезды во Вселенной.
|
|
|
|
"Впервые мы идентифицировали спектроскопически сверхмассивных кандидатов в темные звезды в JWST, включая самые ранние объекты с красным смещением 14, всего через 300 миллионов лет после Большого взрыва", - сказал Фриз, заведующий кафедрой физики Джеффа и Гейл Кодоски и директор Института Вайнберга и Техасского центра космологии и физики астрочастиц в Университете штата Техас. В Остине. "Такие ранние темные звезды, весящие в миллион раз больше солнца, важны не только для того, чтобы рассказать нам о темной материи, но и как предшественники ранних сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых в JWST, которые иначе так трудно объяснить".
|
|
|
|
В исследовании PNAS, проведенном в 2023 году Илие, Паулином и Фризом, были обнаружены первые сверхмассивные темные звезды-кандидаты (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z11-0) с использованием фотометрических данных с помощью прибора NIRCam, разработанного JWST. С тех пор спектры, полученные прибором NIRSpec от JWST, стали доступны для этих и нескольких других чрезвычайно удаленных объектов.
|
|
|
|
Команда, в которую теперь также входит Шафаат Махмуд, проанализировала спектры и морфологию четырех самых удаленных объектов, когда-либо наблюдавшихся (включая двух кандидатов из исследования 2023 года): JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 и JADES-GS-z11-0 и обнаружили, что каждая из них согласуется с интерпретацией сверхмассивной темной звезды.
|
|
|
|
Изображение JADES-GS-z14-1 не получено, что означает, что оно соответствует точечному источнику, такому как очень далекая сверхмассивная звезда. Остальные три чрезвычайно компактны и могут быть смоделированы с помощью сверхмассивных темных звезд, питающих туманность (то есть ионизированного газа H и He, окружающего звезду). Каждый из четырех объектов, проанализированных в этом исследовании, также согласуется с интерпретацией галактики, как показано в литературе. Темные звезды обладают характерной особенностью поглощения при 1640 ангстремах, что объясняется большим количеством одиночно ионизированного гелия в их атмосферах. И действительно, один из четырех проанализированных объектов демонстрирует признаки этой особенности.
|
|
|
|
"Одним из самых захватывающих моментов в ходе этого исследования было то, что мы обнаружили падение поглощения на 1640 ангстрем в спектре JADES-GS-z14-0. Несмотря на то, что отношение сигнал/шум этой характеристики относительно низкое (S/N~2), мы впервые обнаружили потенциальный признак темной звезды. Что само по себе примечательно", - сказал Илие.
|
|
|
|
Астрономы с помощью большого миллиметрового/субмиллиметрового телескопа Atacama (ALMA) измерили спектр того же объекта, выявив присутствие кислорода, по эмиссионной линии туманности. Исследователи заявили, что, если обе спектральные характеристики подтвердятся, объект не может быть изолированной темной звездой, а скорее может быть темной звездой, заключенной в богатую металлами среду.
|
|
|
|
Это может быть результатом слияния, когда гало из темной материи, в котором находится темная звезда, сливается с галактикой. В качестве альтернативы, темные и обычные звезды могли образоваться в одном и том же гало-хозяине, как теперь понимают исследователи, это возможно.
|
|
|
|
Идентификация сверхмассивных темных звезд открыла бы возможность изучения частиц темной материи на основе наблюдаемых свойств этих объектов и создала бы новую область астрономии: изучение звезд, питаемых темной материей.
|
|
|
|
Источник
|
