Астрономы обнаружили самые убедительные на сегодняшний день доказательства существования темных звезд — гигантских объектов, частично питаемых темной материей. Если они подтвердятся, то смогут объяснить загадочное изобилие сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Научное сообщество, однако, отнеслось к открытию скептически.
Идея «темных звезд» была впервые предложена в 2007 году физиком Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине и ее коллегами. Они предположили, что огромные облака водорода и гелия в ранней Вселенной могли смешиваться с самоуничтожающейся формой темной материи, образуя массивные и стабильные звезды. Без темной материи такие газовые облака коллапсировали бы в черные дыры, но энергия от ее аннигиляции этому препятствовала, позволяя газу нагреваться и формировать звездоподобный объект — даже без ядерного синтеза, характерного для обычных звезд.
Долгое время доказательств существования таких экзотических объектов практически не было, пока в 2022 году телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) не начал обнаруживать необычно большое количество очень ярких далеких объектов, возникших всего через несколько миллионов лет после Большого взрыва. Изначально астрономы считали их галактиками. Однако Фриз и ее команда показали, что три из этих «галактик» соответствуют свойствам, предсказанным в симуляциях темных звезд: например, сферическая форма и схожая интенсивность излучения. Но тогда не хватало детальных спектроскопических данных для окончательного подтверждения.
В своей новой статье, подготовленной к публикации в журнале PNAS, Фриз и ее соавторы утверждают, что новые спектроскопические наблюдения JWST за этими ранними галактиками хорошо совпадают с теоретическими предсказаниями о том, как должны выглядеть темные звезды.
Более того, обнаружены еще два кандидата в такие объекты. В спектре одного из них обнаружен очень заманчивый намек на специфичный ион гелия, утративший один электрон. Если эти данные (не очень достоверные из-за неудовлетворительного отношения сигнал-шум) подтвердятся — эта улика может стать уникальной визитной карточкой темных звезд.
«Если это реально, я не знаю, как еще это можно объяснить, кроме как темной звездой», — говорит Фриз.
Впрочем, пока доказательства остаются ограниченными, добавляет она.
Космолог Дэниел Уэйлен из Портсмутского университета придерживается альтернативной интерпретации. По его мнению, сверхмассивные первичные звезды — теория, не требующая участия темной материи, — также хорошо соответствуют данным JWST.
«Они игнорируют целый пласт исследований о формировании сверхмассивных первичных звезд, некоторые из которых могут давать сигналы, очень похожие на те, что представлены в их работе», — пояснил эксперт.
Фриз с ним не согласна. Она уверена, что единственный правдоподобный механизм образования таких массивных звезд — это «горение» темной материи: «Других способов их создания просто нет».
Самым слабым местом в теоретических построениях Фриз и ее соавторов стал кислород. Его в темных звездах быть не должно. Однако независимые наблюдения за одним из описанных в работе объектов, проведенные с помощью чилийского комплекса радиотелескопов ALMA, нашли линию этого элемента.
Исследовательница допустила, что источником кислорода могла стать внешняя среда, например звезда-компаньон. Уэйлен же счел его явным признаком, опровергающим стройную гипотезу, так как формирование темных звезд было бы тогда нарушено взрывами сверхновых обычных звезд.
Если существование темных звезд все же будет доказано, это поможет решить еще одну космическую загадку: обилие очень крупных черных дыр, недавно обнаруженных JWST. Согласно современным представлениям, такие черные дыры могут существовать только в том случае, если они образуются из чрезвычайно массивных сгустков материи. Однако в ранней Вселенной не было объектов достаточно большого размера — за исключением темных звезд.
«У нас есть объяснение для крупных нерешенных астрофизических проблем», — заключила Фриз.