Тёмная материя может попадать в звёзды и накапливаться внутри них. В процессе этого она также может взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая будет нагревать звезду

Название «тёмные карлики» может звучать как новая раса обитателей Средиземья, поклоняющаяся Саурону, но на самом деле это новый тип небесных тел, предположительно существующих в сердце галактик.

Приставка «тёмный» здесь относится не к Тёмному Властелину, а к тёмной материи — загадочному веществу, составляющему 85% материи во Вселенной. Эта форма материи остаётся фактически невидимой, потому что она не взаимодействует со светом, но взаимодействует с гравитацией.

Новое исследование показывает, что коричневые карлики, также известные как «несостоявшиеся звёзды», могут выступать в качестве гравитационных ловушек для тёмной материи, притягивающих и взаимодействующих с экзотической материей. При этом высвобождается энергия, которая нагревает эти несостоявшиеся звёзды и превращает их из коричневых карликов в тёмные. И чем больше тёмной материи накапливают тёмные карлики, тем больше энергии излучают эти тёмные звёзды.

Если эта идея верна и тёмные карлики действительно обитают в центре Млечного Пути и других галактик, где тёмной материи больше всего, то это даёт учёным серьёзный намёк на то, какие гипотетические неоткрытые частицы должны составлять эту загадочную форму материи.

Это связано с тем, что только определённые частицы тёмной материи взаимодействуют друг с другом и аннигилируют, высвобождая энергию. Пожалуй, самым ярким примером таких самовзаимодействующих частиц являются слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP или ВИМП).

«Тёмная материя может попадать в звёзды и накапливаться внутри них, — сказал в своём заявлении член команды Джереми Сакштейн из Гавайского университета. — В процессе этого она также может взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая будет нагревать звезду».

Как коричневые карлики переходят на тёмную сторону

Коричневые карлики получили неприятное прозвище «несостоявшиеся звёзды», потому что, несмотря на то что они формируются так же, как и звёзды, из облака коллапсирующих газа и пыли, им не удаётся набрать достаточную массу, чтобы запустить в своих ядрах процесс синтеза.

Этот процесс питает звёзды главной последовательности, такие как Солнце. Коричневые карлики тоже светятся, но тускло, потому что внутри них всё же происходит не очень активный ядерный синтез, а также потому, что они сжимаются под действием собственной гравитации. Но когда они оказываются в центре галактик, эти несостоявшиеся звезды могут найти альтернативный источник энергии.

«Тёмные карлики — это объекты с очень низкой массой, около 8% от массы Солнца», — пояснил Сакштейн. «Эти объекты собирают тёмную материю, которая помогает им стать тёмными карликами».

Тёмная материя взаимодействует с собой и с обычной материей через гравитацию, но и только — что означает, что она может проникать в сердце галактик без особого сопротивления. Это означает, что центры галактик изобилуют тёмной материей и, следовательно, являются наиболее вероятным местом для поиска тёмных карликов.

«Чем больше тёмной материи вокруг, тем больше её можно захватить», — говорит Сакштейн. «И чем больше тёмной материи окажется внутри звезды, тем больше энергии выделится при её аннигиляции».

Тёмная материя может питать тёмные карлики только в том случае, если она взаимодействует сама с собой. Даже если эти взаимодействия редкие или слабые (что объясняет, почему мы их до сих пор не обнаружили), там, где тёмная материя сильно стиснута гравитацией – как, например, в сердце коричневого карлика — они могут происходить и почаще.

Таким образом, существование тёмных карликов может исключить из кандидатов в тёмную материю не взаимодействующие между собой частицы, а также слишком лёгкие частицы. К последнием относятся, возможно, ведущие на данный момент кандидаты в тёмную материю — аксионы.

«Чтобы тёмные карлики существовали, тёмная материя должна состоять из ВИМПов, или любой тяжёлой частицы, которая взаимодействует сама с собой настолько сильно, что порождает видимую материю», — говорит Сакштейн.

Конечно, всё это было бы пустыми рассуждениями, если бы команда не предложила способ обнаружить тёмные карлики и отличить их от коричневых карликов или обычных звёзд, не питающихся тёмной материей.

Исследователи предлагают особый химический маркёр, который может стать «неопровержимой уликой» для тёмных карликов — изотоп лития-7, который легко сгорает и поэтому быстро расходуется обычными звёздами.

«У нас было несколько маркёров на выбор, но мы предложили литий-7, потому что это действительно уникальный эффект», — говорит Сакштейн. «Если вы найдёте объект, похожий на тёмный карлик, вы сможете поискать у него этот литий, и если его там не окажется, это будет означать, что у вас коричневый карлик или другой подобный объект».

Команда считает, что мощные телескопы, такие как космический телескоп «Уэбб», уже способны обнаружить холодные и тусклые тёмные карлики.

«Другой способ искать их — рассмотреть всю популяцию объектов и статистически оценить, нет ли в ней признаков наличия популяции тёмных карликов», — говорит Сакштейн.

Если в центре Млечного Пути будет обнаружен тёмный карлик, то, по мнению Сакштейна, это будет «достаточно сильным» доказательством того, что тёмная материя состоит из ВИМПов.

«С лёгкими кандидатами на тёмную материю, чем-то вроде аксиона, никакого тёмного карлика, скорее всего, не получится. Они не накапливаются внутри звёзд», — говорит исследователь. «Если нам удастся найти тёмный карлик, это послужит убедительным доказательством того, что тёмная материя тяжёлая и сильно взаимодействует сама с собой, но лишь слабо — со Стандартной моделью [«обычной» материей]. Сюда подойдут как различные ВИМПы, так и некоторые другие, более экзотические модели».

«Обнаружение тёмного карлика не даст нам неопровержимого доказательства того, что тёмная материя состоит из ВИМПов, но это будет означать, что это либо ВИМПы, либо нечто, что, по всем признакам, ведёт себя как ВИМПы».