Учёные, работающие с космическим телескопом Джеймса Уэбба, обнаружили в начале 2025 года три необычных астрономических объекта, которые [могут быть примерами тёмных звёзд](https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.06101). Концепция тёмных звёзд существует уже некоторое время и может изменить представление учёных о формировании обычных звёзд. Однако их название несколько вводит в заблуждение.
«Тёмные звёзды» — это одно из тех неудачных названий, которое на первый взгляд неточно описывает объекты, которые оно представляет. Тёмные звёзды — это не совсем звёзды, и они, конечно, не тёмные. Тем не менее название отражает суть этого явления. Слово «тёмные» в названии относится не к тому, насколько ярки эти объекты, а к процессу, который заставляет их светиться — за счёт таинственной субстанции, называемой [тёмной материей](https://science.nasa.gov/dark-matter/). Размер этих объектов затрудняет их классификацию как звёзд.
Как физик, я был очарован тёмной материей и пытался найти способ увидеть её [следы с помощью ускорителей частиц](https://home.cern/science/physics/dark-matter). Мне любопытно, могут ли тёмные звёзды предоставить альтернативный метод обнаружения тёмной материи.
[Тёмная материя](https://theconversation.com/dark-matter-the-mystery-substance-physics-still-cant-identify-that-makes-up-the-majority-of-our-universe-85808), составляющая примерно 27% Вселенной, но не поддающаяся прямому наблюдению, является ключевой идеей, лежащей в основе феномена тёмных звёзд. Астрофизики изучают эту таинственную субстанцию почти столетие, но мы не видели никаких прямых доказательств её существования, кроме гравитационных эффектов. Так что же делает тёмную материю тёмной?
Люди в основном [наблюдают Вселенную](https://www.amnh.org/explore/ology/brain/seeing-color), обнаруживая электромагнитные волны, испускаемые различными объектами или отражаемые от них. Например, Луна видна невооружённым глазом, потому что она отражает солнечный свет. Атомы на поверхности Луны поглощают фотоны — частицы света — посылаемые Солнцем, заставляя электроны внутри атомов двигаться и посылать часть этого света к нам.
Более совершенные телескопы обнаруживают [электромагнитные волны за пределами видимого спектра](https://www.britannica.com/science/electromagnetic-spectrum), такие как ультрафиолетовые, инфракрасные или радиоволны. Они используют тот же принцип: электрически заряженные компоненты атомов реагируют на эти электромагнитные волны. Но как они могут обнаружить субстанцию — тёмную материю, — которая не только не имеет электрического заряда, но и не имеет электрически заряженных компонентов?
Хотя учёные не знают точной природы тёмной материи, многие модели предполагают, что она состоит из электрически нейтральных частиц — тех, у которых нет электрического заряда. Эта черта делает невозможным наблюдение тёмной материи таким же образом, как мы наблюдаем обычную материю.
Считается, что тёмная материя состоит из частиц, которые являются своими собственными античастицами. [Античастицы — это «зеркальные» версии частиц](https://www.britannica.com/science/antiparticle). У них та же масса, но противоположный электрический заряд и другие свойства. Когда частица сталкивается со своей античастицей, [они аннигилируют друг друга](https://theconversation.com/antimatter-we-cracked-how-gravity-affects-it-heres-what-it-means-for-our-understanding-of-the-universe-214285) в вспышке энергии.
Если частицы тёмной материи являются своими собственными античастицами, они будут аннигилировать при столкновении друг с другом, потенциально высвобождая большое количество энергии. Учёные предсказывают, что этот процесс играет ключевую роль в формировании тёмных звёзд, если плотность частиц тёмной материи внутри этих звёзд достаточно высока. Плотность тёмной материи определяет, как часто частицы тёмной материи сталкиваются и аннигилируют друг с другом. Если плотность тёмной материи внутри тёмных звёзд высока, они будут часто аннигилировать.
Концепция тёмных звёзд проистекает из фундаментального, но нерешённого вопроса в астрофизике: [как образуются звёзды](https://www.cfa.harvard.edu/research/topic/star-formation)? Согласно широко принятой точке зрения, облака первичного водорода и гелия — химических элементов, образовавшихся в первые минуты после Большого взрыва, примерно 13,8 миллиарда лет назад — коллапсировали под действием гравитации. Они нагрелись и [начали ядерный синтез](https://www.britannica.com/science/nuclear-fusion/Fusion-reactions-in-stars), который [привёл к образованию более тяжёлых элементов](https://theconversation.com/elements-from-the-stars-the-unexpected-discovery-that-upended-astrophysics-66-years-ago-93916) из водорода и гелия. Этот процесс привёл к [формированию первого поколения звёзд](https://theconversation.com/the-first-stars-may-not-have-been-as-uniformly-massive-as-astronomers-thought-263016).
В стандартной точке зрения формирования звёзд тёмная материя рассматривается как пассивный элемент, который просто оказывает гравитационное воздействие на всё вокруг себя, включая первичный водород и гелий. Но что, если тёмная материя играла более активную роль в этом процессе? Именно этот вопрос группа [астрофизиков подняла в 2008 году](https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.051101).
В плотной среде ранней Вселенной частицы тёмной материи [сталкивались бы друг с другом и аннигилировали](https://theconversation.com/measuring-helium-in-distant-galaxies-may-give-physicists-insight-into-why-the-universe-exists-205891), высвобождая энергию в процессе. Эта энергия могла бы нагреть газ из водорода и гелия, предотвращая его дальнейший коллапс и задерживая или даже предотвращая типичное зажигание ядерного синтеза.
Результатом стал бы звездоподобный объект — но работающий за счёт нагрева тёмной материей, а не за счёт синтеза. В отличие от обычных звёзд, эти тёмные звёзды могли бы жить намного дольше, потому что они продолжали бы светиться, пока привлекали тёмную материю. Эта черта отличала бы их от обычных звёзд, так как их более низкая температура поверхности привела бы к меньшему излучению различных частиц.
Несколько уникальных характеристик помогают астрономам [идентифицировать потенциальные тёмные звёзды](http://doi.org/10.1088/0034-4885/79/6/066902). Во-первых, эти объекты должны быть очень старыми. По мере расширения Вселенной частота света, исходящего от [объектов, удалённых от Земли, уменьшается](https://news.mit.edu/2010/explained-doppler-0803), смещаясь в сторону инфракрасного конца электромагнитного спектра, то есть он «краснеет». [Самые старые объекты кажутся наиболее покрасневшими](https://theconversation.com/the-universe-is-expanding-faster-than-theory-predicts-physicists-are-searching-for-new-ideas-that-might-explain-the-mismatch-215414) для наблюдателей.
Поскольку тёмные звёзды формируются из [первичного водорода и гелия](https://theconversation.com/the-first-stars-may-not-have-been-as-uniformly-massive-as-astronomers-thought-263016), ожидается, что они будут содержать мало или совсем не содержать более тяжёлых элементов, таких как кислород. Они были бы очень большими и более холодными на поверхности, но при этом высокосветящимися, потому что их размер — а площадь поверхности, излучающей свет — компенсирует их более низкую поверхностную яркость.
Предполагается, что они также будут огромными, с радиусами около десятков [астрономических единиц](https://www.britannica.com/science/astronomical-unit) — космической единицы измерения расстояния, равной среднему расстоянию между Землёй и Солнцем. Некоторые сверхмассивные тёмные звёзды, как предполагается, могут достигать массы примерно в 10 000–10 миллионов раз больше солнечной, в зависимости от того, сколько тёмной материи и газа из водорода или гелия они могут накопить в процессе своего роста.
Так астрономы наблюдали тёмные звёзды? Возможно. Данные, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, выявили несколько объектов с очень высоким красным смещением, которые кажутся более яркими — и, возможно, более массивными — чем то, что учёные ожидают увидеть в типичных ранних галактиках или звёздах. Эти результаты привели некоторых исследователей к предположению, что [тёмные звёзды могут объяснить эти объекты](https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.06101).
В частности, [недавнее исследование, анализирующее данные космического телескопа Джеймса Уэбба](https://doi.org/10.48550/arXiv.2505.06101), выявило трёх кандидатов, соответствующих моделям сверхмассивных тёмных звёзд. Исследователи изучили количество гелия, содержащегося в этих объектах, чтобы идентифицировать их. Поскольку тёмные звёзды нагреваются за счёт аннигиляции тёмной материи, а не за счёт ядерного синтеза, превращающего гелий в более тяжёлые элементы, в тёмных звёздах должно быть больше гелия.
Исследователи подчёркивают, что один из этих объектов действительно продемонстрировал потенциальную «улика» — сигнатуру поглощения гелия: гораздо более высокое содержание гелия, чем можно было бы ожидать в типичных ранних галактиках.
Что происходит, когда в тёмной звезде заканчивается тёмная материя? Это зависит от размера тёмной звезды. Для лёгких тёмных звёзд истощение тёмной материи означало бы, что гравитация сжимает оставшийся водород, зажигая ядерный синтез. В этом случае тёмная звезда в конечном итоге стала бы обычной звездой, так что некоторые звёзды могли начаться как тёмные звёзды.
Сверхмассивные тёмные звёзды ещё более интригующи. В конце своей жизни мёртвая сверхмассивная тёмная звезда коллапсирует непосредственно в чёрную дыру. Эта чёрная дыра могла бы начать формирование [сверхмассивной чёрной дыры](https://theconversation.com/why-are-some-black-holes-bigger-than-others-an-astronomer-explains-how-these-celestial-vacuums-grow-217241), подобной тем, которые астрономы наблюдают в центрах галактик, включая наш Млечный Путь.
Тёмные звёзды также могут объяснить, как в ранней Вселенной образовались сверхмассивные чёрные дыры. Они могли бы пролить свет на некоторые [уникальные чёрные дыры, наблюдаемые астрономами](https://www.nasa.gov/missions/chandra/nasa-telescopes-discover-record-breaking-black-hole/). Например, чёрная дыра в галактике UHZ-1 имеет массу, приближающуюся к 10 миллионам солнечных масс, и является очень старой — она образовалась всего через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Традиционные модели с трудом объясняют, как такие массивные чёрные дыры могли образоваться так быстро.
Идея тёмных звёзд не является общепризнанной. Эти кандидаты в тёмные звёзды могут оказаться просто необычными галактиками. Некоторые астрофизики утверждают, что один только процесс аккреции материи — процесс, при котором [массивные объекты притягивают окружающую материю](https://www.universetoday.com/articles/how-do-the-most-massive-stars-get-so-big) — может привести к образованию массивных звёзд, и что исследования с использованием наблюдений с телескопа Джеймса Уэбба не могут провести различие между массивными обычными звёздами и менее плотными, более холодными тёмными звёздами.
Исследователи подчёркивают, что им потребуются дополнительные данные наблюдений и теоретические достижения, чтобы решить эту загадку.
Предоставлено [The Conversation](https://phys.org/partners/the-conversation/)