Литиевый след тёмной материи: в центре Млечного Пути могут скрываться звёзды-призраки

Вселенная на 95% состоит из загадок. Обычная материя — всё, что мы видим, от планет до гигантских звёздных скоплений — составляет лишь крошечную долю космического пирога. Остальное — это тёмная энергия и, что ещё более интригующе, тёмная материя. Этот невидимый компонент действует как гравитационный клей, не позволяя галактикам, включая наш Млечный Путь, разлететься на части. Мы знаем, что она есть, но не знаем, из чего она состоит. Это одна из главных головоломок современной физики, и учёные, подобно детективам, ищут малейшие зацепки, способные пролить свет на её природу.

Новое теоретическое исследование предлагает дерзкий и изящный способ «поймать» тёмную материю с поличным. Идея заключается в том, чтобы искать её следы не в пустом пространстве, а внутри других космических отшельников — коричневых карликов. Возможно, именно взаимодействие этих двух «невидимок» создаёт уникальный феномен, который мы, наконец, сможем обнаружить.

Несостоявшиеся звёзды и невидимая масса

Чтобы понять суть гипотезы, нужно познакомиться с двумя главными действующими лицами.

Первый — коричневый карлик. Это «звёздный неудачник», объект, застрявший между миром гигантских планет и миром настоящих звёзд. Он формируется из облака газа и пыли, как и обычные звёзды, но ему не хватает массы, чтобы в его ядре начался устойчивый термоядерный синтез водорода — процесс, который заставляет звёзды сиять. Коричневые карлики могут некоторое время генерировать тепло за счёт сжигания дейтерия (тяжёлого водорода) и гравитационного сжатия, но в итоге они обречены на медленное остывание и угасание. Тусклые и относительно небольшие, они — одни из самых трудноуловимых объектов в космосе.

Второй герой — сама тёмная материя. Несмотря на свою загадочность, учёные предполагают, что она состоит из неких экзотических частиц. Один из главных «подозреваемых» — WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), или слабо взаимодействующая массивная частица. Как следует из названия, эти частицы почти не реагируют с обычной материей, но могут взаимодействовать сами с собой. А именно — аннигилировать при встрече, превращая свою массу в чистую энергию. Для этого им нужна высокая плотность, которую трудно найти в разреженном космосе.

И вот здесь два сюжета пересекаются. Что, если идеальным «концентратором» для WIMP-частиц станут те самые коричневые карлики?

Рецепт тёмного карлика: как зажечь звезду изнутри

Физики Джуна Крун и Джереми Сакштейн выдвинули предположение, что гравитация коричневого карлика способна, словно ловушка, захватывать пролетающие мимо частицы тёмной материи. Со временем они будут накапливаться в его ядре, и их плотность достигнет критической отметки.

Именно тогда начнётся самое интересное. Частицы тёмной материи начнут аннигилировать друг с другом, высвобождая огромное количество энергии прямо в центре объекта. Этот процесс создаст своего рода внутренний «реактор», который будет подогревать карлик изнутри.

Так рождается новый гипотетический объект — тёмный карлик. Это уже не просто остывающий коричневый карлик, а нечто иное: субзвёздный объект, чьё тусклое свечение поддерживается не остатками термоядерного горения, а экзотическим топливом из тёмной материи. Он будет существовать в стабильном состоянии, постоянно подпитываясь новой энергией, пока вокруг есть тёмная материя.

Химический отпечаток: тест на литий

Всё это звучит захватывающе, но как отличить обычный коричневый карлик от его «тёмного» собрата? Наблюдать напрямую аннигиляцию в его ядре невозможно. Нужен косвенный, но надёжный маркер. И такой маркер был предложен — это литий-7.

В астрофизике существует понятие «литиевого предела горения». Литий — очень лёгкий элемент, и он сгорает в звёздных недрах при относительно невысоких температурах (около 2,5 миллионов градусов). Звёзды и достаточно массивные коричневые карлики быстро уничтожают свои запасы лития. Поэтому его наличие или отсутствие в спектре звезды служит важным индикатором её массы и эволюционного пути.

В этом и заключается гениальность предложенного теста. Обычный коричневый карлик, достаточно массивный, чтобы иметь горячее ядро, давно бы сжёг весь свой литий. А вот тёмный карлик — это совсем другая история. Его ядро подогревается аннигиляцией тёмной материи, и его внутренняя температура может оставаться ниже порога сгорания лития.

Это значит, что если астрономы найдут старый и массивный объект, который по всем законам физики должен был избавиться от лития, но в его спектре всё ещё видны чёткие литиевые линии, — это будет почти неопровержимым доказательством. Такой «химический отпечаток» укажет на то, что объект подогревается неким альтернативным, нетермоядерным источником. И лучшим кандидатом на эту роль будет как раз аннигиляция тёмной материи.

Охота в сердце Млечного Пути

Где же искать этих звёздных призраков? Теория указывает на самое очевидное место — галактический центр. Именно там, по современным моделям, плотность тёмной материи максимальна. Чем больше её вокруг, тем выше шанс, что коричневые карлики смогут накопить её в достаточном количестве.

Конечно, поиски будут непростыми. Центр Галактики — это загромождённое и пыльное место, что затрудняет наблюдения. Однако современные инструменты, в первую очередь космический телескоп «Джеймс Уэбб», обладают достаточной чувствительностью, чтобы разглядеть эти тусклые и холодные объекты. Другой подход — статистический. Изучая большие популяции звёзд в центре Млечного Пути, можно попытаться найти аномалии, которые лучше всего объясняются наличием субпопуляции тёмных карликов.

Обнаружение хотя бы одного такого объекта стало бы настоящим прорывом. Это не просто подтвердит существование ещё одного типа звёзд, но и даст мощнейший аргумент в пользу того, что тёмная материя состоит из WIMP-частиц или чего-то очень на них похожего. Это позволило бы отсечь другие гипотезы, например, об аксионах — более лёгких частицах, которые не стали бы накапливаться в звёздах.

Поиск тёмных карликов — это не просто охота за очередным космическим чудом. Это элегантная попытка использовать одни загадки Вселенной, чтобы разгадать другие, и превратить тусклых звёздных изгоев в маяки, освещающие путь к одной из величайших тайн природы.