Тёмная материя — одна из самых загадочных явлений в природе. Физики-элементарщики ломают головы над ней по ночам, а космологи не отрываются от суперкомпьютерного моделирования. Мы знаем, что она реальна, потому что её масса не даёт галактикам развалиться. Но мы не знаем, что это такое.
Тёмная материя не любит обычное вещество и, возможно, предпочитает собственную компанию. Хотя она, похоже, не взаимодействует с обычной барионной материей, она может взаимодействовать сама с собой и самоуничтожаться. Для этого ей нужна плотно упакованная среда, и это может дать астрофизикам возможность наконец её обнаружить.
Новое теоретическое исследование
Новое теоретическое исследование описывает, как это может произойти, и утверждает, что субзвёздные объекты, в основном коричневые карлики, могут быть местом этого процесса. Исследование под названием «Тёмные карлики: субзвёздные объекты, работающие на тёмной материи, ждут своего открытия в центре Галактики» опубликовано в журнале «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics». Ведущий автор — Дьюна Кроон, физик-теоретик и доцент в Институте феноменологии элементарных частиц на факультете физики Даремского университета.
Коричневые карлики — это субзвёздные объекты, которые крупнее планет, но недостаточно массивны, чтобы запустить водородный синтез. Когда они формируются, они следуют тому же процессу, что и звёзды. Но, к сожалению для них, их аккреция газа останавливается, и их рост останавливается. Они не могут стать достаточно массивными, чтобы запустить водородный синтез, и обречены на тусклую жизнь. Они генерируют некоторое количество тепла за счёт кратковременного синтеза дейтерия и гравитационного сжатия, но никогда не будут сиять так же ярко, как звёзды.
С точки зрения светимости они тусклее белых карликов, но немного ярче газовых гигантов, таких как Юпитер. Со временем коричневые карлики остывают и становятся всё тусклее. Их трудно обнаружить из-за тусклости и малой массы.
Кроон и её соавторы предполагают, что аннигиляция тёмной материи может сделать некоторые коричневые карлики обнаруживаемыми. Частицы тёмной материи могут быть своими собственными античастицами и могут аннигилировать друг с другом, когда их плотность высока. Согласно E=mc², их аннигиляция преобразует их массу в энергию и производит частицы из Стандартной модели, такие как фотоны, электроны и позитроны.
«Тёмная материя взаимодействует гравитационно, поэтому она может быть захвачена звёздами и накапливаться внутри них», — объяснил соавтор Джереми Сакстайн в пресс-релизе. «Если это произойдёт, она также может взаимодействовать сама с собой и аннигилировать, высвобождая энергию, которая нагревает звезду». Сакстайн — профессор физики в Гавайском университете.
Тёмные карлики
Рядом с центром Галактики больше тёмной материи, и авторы считают, что именно там она может накапливаться в коричневых карликах в достаточном количестве для аннигиляции. Когда это происходит, создаётся другой тип субзвёздного объекта: тёмные карлики.
«Эти объекты собирают тёмную материю, которая помогает им стать тёмным карликом. Чем больше тёмной материи вокруг, тем больше вы можете захватить», — объясняет Сакстайн. «И чем больше тёмной материи окажется внутри звезды, тем больше энергии будет произведено за счёт её аннигиляции».
Существует множество частиц-кандидатов на роль тёмной материи. Одной из них являются слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), и эта теоретическая модель работает только в том случае, если WIMP действительно являются тёмной материей. «Чтобы тёмные карлики существовали, тёмная материя должна состоять из WIMP или любой тяжёлой частицы, которая взаимодействует сама с собой настолько сильно, чтобы производить видимую материю», — говорит Сакстайн.
Если мы сможем обнаружить этих тёмных карликов, мы, по сути, обнаружим тёмную материю. Обнаружение основано на литии-7, естественно встречающемся изотопе лития, который является наиболее распространённым и стабильным из всех изотопов лития. Обычные коричневые карлики истощают свой литий-7, в то время как тёмные карлики сохраняют его.
«DD (тёмные карлики) физически отличаются от коричневых/красных карликов несколькими способами», — пишут авторы. Они немного массивнее и преимущественно питаются за счёт аннигиляции DM, с дополнительным компонентом стабильного водородного синтеза. Их светимости, радиусы и эффективные температуры постоянны во времени. Авторы также объясняют, что эти тёмные карлики сохранят свой литий, в то время как он будет истощён ядерным горением в коричневых карликах.
«Тест на литий — это основной метод подтверждения того, что объект является коричневым карликом», — пишут исследователи. Астрономы используют линии лития в звёздных спектрах, чтобы проследить историю температуры ядра коричневых карликов и молодых звёзд и определить, в какую эпоху эволюции они находятся.
«Обнаружение лития-7 в объектах тяжелее предела сжигания лития может служить доказательством существования нагрева DM», — пишут исследователи в своей статье. «Следствием этого является то, что DD можно идентифицировать по их повышенной распространённости лития, несмотря на относительно большую массу и старый звёздный возраст». Они также показывают, что количество лития, сохраняемое с течением времени, зависит от массы и плотности тёмной материи.
«Было несколько маркеров, но мы предложили литий-7, потому что это был бы действительно уникальный эффект», — объяснил Сакстайн. Обычные звёзды быстро потребляют литий-7. «Так что, если бы вы смогли найти объект, который выглядел бы как тёмный карлик, вы могли бы искать присутствие этого лития, потому что его не было бы, если бы это был коричневый карлик или подобный объект».
Тёмные карлики — это чрезвычайно холодные объекты, и хотя JWST может их обнаружить, может быть и другой способ, по словам Сакстайна. «Другое, что вы могли бы сделать, — это посмотреть на целую популяцию объектов и спросить статистически, лучше ли она описывается наличием субпопуляции тёмных карликов или нет».
Обнаружение тёмных карликов поможет ответить на вопрос о природе тёмной материи. Если мы сможем обнаружить некоторых тёмных карликов, это подкрепит идею о том, что тёмная материя — это WIMP. «Со световыми кандидатами тёмной материи, такими как аксион, я не думаю, что вы сможете получить что-то вроде тёмного карлика», — сказал Сакстайн. «Они не накапливаются внутри звёзд. Если нам удастся найти тёмного карлика, это станет убедительным доказательством того, что тёмная материя тяжёлая и сильно взаимодействует сама с собой, но только слабо со Стандартной моделью. Это включает в себя классы WIMP, но также и некоторые другие более экзотические модели», — заключает Сакстайн.
«Наблюдение за тёмным карликом не скажет нам окончательно, что тёмная материя — это WIMP, но это будет означать, что это либо WIMP, либо что-то, что для всех намерений и целей ведёт себя как WIMP».