Темные карлики в центре Галактики могут раскрыть природу темной материи

Художественное изображение темного карлика. Автор: Sissa Medialab

Небесные объекты, называемые темными карликами, могут скрываться в центре нашей галактики и способны дать ключевые подсказки для раскрытия природы одного из самых загадочных явлений современной космологии — темной материи.

Исследование, опубликованное в «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics» международной группой ученых из Великобритании и Гавайев, впервые описывает эти объекты и предлагает методы их обнаружения с помощью современных инструментов, таких как космический телескоп «Джеймс Уэбб». Работа озаглавлена «Темные карлики: субзвездные объекты, питаемые темной материей, ожидающие открытия в галактическом центре».

«Мы считаем, что 25% Вселенной состоит из материи, которая не излучает свет, оставаясь невидимой для наших глаз и телескопов. Мы обнаруживаем ее только по гравитационным эффектам. Поэтому мы называем ее темной материей», — объясняет Джереми Сакстин, профессор физики Гавайского университета и один из авторов исследования.

На сегодняшний день о темной материи известно, что она существует и как ведет себя, но не что она собой представляет. За последние 50 лет было предложено несколько гипотез, но ни одна пока не получила достаточного экспериментального подтверждения. Работы вроде исследования Сакстина и его коллег важны, так как предлагают конкретные инструменты для преодоления этого тупика.

Среди наиболее известных кандидатов на роль темной материи — слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). Это тяжелые частицы, почти не взаимодействующие с обычной материей: они проходят сквозь объекты незамеченными, не излучают свет и не реагируют на электромагнитные силы, проявляя себя только через гравитацию. Именно такой тип темной материи необходим для существования темных карликов.

«Темная материя взаимодействует гравитационно, поэтому может захватываться звездами и накапливаться внутри них. Если это происходит, она может также взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая нагревает звезду», — поясняет Сакстин.

Обычные звезды, подобные Солнцу, светятся благодаря ядерным реакциям в их ядрах. Однако темные карлики имеют массу всего около 8% солнечной, что недостаточно для запуска термоядерных процессов. Такие объекты обычно известны как коричневые карлики и излучают лишь слабый свет за счет гравитационного сжатия. Но если они находятся в областях с высокой концентрацией темной материи (например, в центре галактики), то могут превратиться в темных карликов.

«Эти объекты собирают темную материю, которая помогает им стать темными карликами. Чем больше вокруг темной материи, тем больше ее может быть захвачено», — говорит Сакстин.

Однако вся эта гипотеза работает только при условии, что темная материя состоит из тяжелых частиц вроде WIMP. Альтернативные кандидаты, такие как аксионы или стерильные нейтрино, слишком легки, чтобы создавать подобный эффект.

Для идентификации темных карликов ученые предлагают искать следы лития-7, который быстро сгорает в обычных звездах, но может сохраняться в этих экзотических объектах. Современные телескопы, включая «Джеймс Уэбб», уже способны обнаруживать такие холодные и тусклые тела.

Если темные карлики будут найдены, это станет серьезным аргументом в пользу WIMP-гипотезы, хотя и не исключит полностью другие модели тяжелой темной материи.

Дополнительная информация: Dark Dwarfs: Dark Matter-Powered Sub-Stellar Objects Awaiting Discovery at the Galactic Center, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.00822

Источник: SISSA Medialab