В центре Млечного Пути, рядом с черной дырой Стрелец A*, звезды ведут себя странно — они выглядят моложе, чем должны, а некоторые, по расчетам, вообще могут становиться нестабильными. Одна из причин может быть в том, что, помимо привычной энергии от термоядерного синтеза, такие светила получают подпитку от аннигиляции темной материи. Их называют «темными звездами главной последовательности» (dark main sequence stars). Что это за объекты, как они появляются и почему важны для астрофизики?

Что такое темная материя и как она влияет на звезды

Темная материя — невидимый компонент Вселенной, составляющий около 27% ее массы. Она проявляет себя через гравитационное воздействие на звезды, галактики и свет, но не излучает и не поглощает электромагнитное излучение. Специалисты предполагают, что темная материя состоит из элементарных частиц, таких как WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) или аксионы. Они редко взаимодействуют с обычной материей. Одно из проявлений такого события — аннигиляция, когда частица темной материи сталкивается со своей античастицей, при этом выделяется энергия (дальше по тексту — DM-энергия). В окрестностях Стрельца A* это явление может играть заметную роль. Почему?

Звезды главной последовательности, такие как Солнце, получают энергию от ядерного синтеза, превращая водород в гелий. Их яркость, температура и продолжительность жизни зависят от начальной массы и описываются диаграммой Герцшпрунга-Рассела. В центре галактики DM-энергия вносит дополнительный вклад, кардинально меняя поведение звезд. Работа Джон, Лин и Линдена вводит концепцию «темной главной последовательности», где светила эволюционируют под влиянием не только синтеза, но и этого необычного источника энергии. Это открытие перекликается с гипотезой «темных звезд», предложенной в 2008 году Спалером и др., где аннигиляция темной материи поддерживает светила на ранних стадиях формирования Вселенной, препятствуя их коллапсу.

DM-энергия может составлять значительную часть энергетического баланса звезды, особенно вблизи сверхмассивной черной дыры, где концентрация темной материи максимальна. Например, расчеты показывают, что аннигиляция WIMP с массой 100 ГэВ может производить энергию порядка (10^{33}) эрг/с в областях с высокой плотностью, что сравнимо с энергией синтеза в звездах средней массы. Это делает центр галактики уникальной лабораторией для изучения взаимодействия темной и обычной материи.

Как DM-энергия меняет жизнь звезд?

Светила вблизи Стрельца A* не формируются на месте: интенсивное гравитационное поле и излучение черной дыры препятствуют их рождению. Вместо этого объекты, возникшие в других частях галактики, мигрируют к центру из-за взаимодействий, таких как динамическое трение или рассеяние на массивных объектах. Их орбиты часто эксцентричны (с эксцентриситетом до 0,9), из-за чего они периодически проходят через зоны с разной плотностью темной материи.

Джон, Лин и Линден смоделировали эволюцию звезд с массами от 1 до 20 солнечных масс, добавив к энергии синтеза DM-энергию, которая не зависит от плотности звезды. Поскольку частота аннигиляции неизвестна, они рассмотрели два сценария с разной интенсивностью этого процесса (например, сечения аннигиляции (10^{-26}) см³/с и (10^{-28}) см³/с). Это приводит к следующим эффектам:

• Легкие светила (менее 1 солнечной массы): DM-энергия подавляет ядерный синтез, из-за чего они выглядят как объекты на ранних стадиях главной последовательности. В экстремальных случаях избыток энергии (до (10^{34}) эрг/с для звезды в 0,5 солнечной массы) разрушает их, не позволяя гравитации удерживать структуру.

• Средней массы (1–10 солнечных масс): эти объекты могут полностью перейти на DM-энергию, прекращая синтез. Они становятся разреженными, теряя плотность, необходимую для термоядерной реакции (падает до (10^{-2}) г/см³). Они напоминают молодые протозвезды, несмотря на возраст в миллиарды лет.

• Тяжелые (более 10 солнечных масс): продолжают синтез, но DM-энергия замедляет их эволюцию, позволяя оставаться стабильными на протяжении миллиардов лет. Например, звезда в 15 солнечных масс может сохранять температуру поверхности около 20 000 К вместо ожидаемого перехода в стадию красного гиганта.

Влияние аннигиляции темной материи зависит от расстояния звезды до черной дыры и интенсивности самого процесса. Например, звезда, которая остается стабильной на расстоянии 0,1 парсека от центра, может начать эволюционировать, если окажется дальше — около 1 парсека, где плотность ниже. При этом орбиты звезд часто вытянуты: они проходят через области с высокой и низкой концентрацией темной материи. Такая неравномерность делает моделирование сложнее. Для звезды с орбитой от 0,05 до 0,5 парсека энергетический вклад от аннигиляции может меняться в 10 раз — это влияет на ее внутреннюю структуру и стабильность.

Аномалии звезд в центре галактики

Наблюдения показывают, что звезды вблизи Стрельца A* массивнее среднего (преобладают объекты с массами 10–20 солнечных масс) и демонстрируют нехарактерный для их возраста облик. Гипотеза «темной главной последовательности» объясняет это: легкие звезды разрушаются из-за избытка DM-энергии, оставляя только более тяжелые объекты, чья эволюция замедлена. Это согласуется с данными телескопов NASA, таких как Chandra и Spitzer, которые показывают плотные скопления звезд в окрестностях черной дыры.

Концепция перекликается с исследованиями 2008 года, показавшими, что аннигиляция WIMP меняет структуру и яркость звезд. В 2021 г. в Astronomy & Astrophysics ученые описали, как DM-энергия влияет на красных гигантов, снижая их яркость на 10–20%. Дополнительные данные подтверждают уникальность центра галактики. Например, звезды S-кластера, расположенные в 0,01–0,1 парсека от Стрельца A*, имеют аномально высокие массы и скорости (до 3 000 км/с), что может быть связано с их взаимодействием с темной материей. Исследования 2020 года в Astrophysical Journal показали, что такие звезды могут быть остатками более массивных скоплений, разрушенных гравитацией черной дыры, а DM-энергия могла стабилизировать их структуру.

В целом, «темные звезды» — потенциальные индикаторы плотности темной материи и ее свойств. Если энергия аннигиляции действительно влияет на их эволюцию, они могут помочь уточнить характеристики частиц вроде WIMP или аксионов и показать, как внешние факторы формируют структуру светил.

Проверить это непросто: центр Галактики скрыт за плотным слоем пыли и излучения. Но будущие наблюдения с помощью James Webb, CTA и SKA смогут уловить спектральные отклонения и динамические особенности, указывающие на влияние темной материи. Эти данные дадут шанс понять не только природу самой тьмы, но и поведение звезд в экстремальных условиях вокруг черных дыр.