Некоторые звезды нашей Вселенной так далеки, что мы не можем их увидеть. Это самые ранние звезды – сейчас мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Источником энергии этих звезд может быть темная материя. Если это так, то такой мощный источник энергии ядра звезды приведет к тому, что мы увидим свечение, окружающее ее.

Обычные звезды, которые мы видим, имеют источником энергии термоядерный синтез. Но если источник энергии звезды – темная материя, ее свет должен иметь совершенно другой спектр, и это могут увидеть инфракрасные телескопы. Темная материя не может наблюдаться непосредственно, оттого она и получила такое название. Ее существование подтверждается гравитационным воздействием на обычную материю, которая составляет всего около 4% массы Вселенной. Темная материя играла очень большую роль на ранних этапах развития Вселенной (впрочем, она играет и сейчас, но медленная эволюция не так заметна, как быстрое изменение ранней Вселенной). Лишний способ подтвердить ее существование и узнать свойства – одна из важнейших задач космологии и астрофизики. Кроме всего прочего, темная материя сыграла важную роль и в образовании звезд.

Звезды, источником энергии которых служит темная материя, отнюдь не темные. Но, как ни крути, свет одной звезды молодой Вселенной нам не заметить – из-за расширения Вселенной они находятся очень далеко. Но объединенный свет множества звезд можно увидеть. В том числе и свет «темных» звезд. Команда астрономов рассчитала, сколько света должна испускать темная звезда и определила, что свет этот должен находится в инфракрасном спектре, доступном современным телескопам, созданным человеком.

Огни большого города

Свет, излучаемый звездами и галактиками, создает гало, подобное тому, который можно увидеть над большим городом ночью. Даже процесс схож: как города светятся за счет множества ламп и другие небольших источников света, также галактика светятся за счет бесчестного множества ее звезд.

В случае города теоретически можно, зная все источники света, рассчитать и общую его светимость ночью (хотя никакой суперкомпьютер не справится с этими простыми на бумаге расчетами). Но если принять простые ограничения на минимальную и максимальную яркость ламп, убрать из рассмотрения часть источников света, можно оценит светимость города. Аналогично для древних галактик астрономы могут ограничить свойства звезд, такие как масса и светимость, а также их количество, и определить, в течение какого времени звезды могли питаться за счет темной материи, а также скорость звездообразования таких звезд.

Поскольку свет путешествует через всю галактику очень долго, далекие объекты мы видим не только далекими, но и очень старыми. Так что анализ света самых дальних галактик говорит о том, что происходило на заре становление Вселенной.

«Поскольку невозможно изучать образование звезд молодой Вселенной напрямую, приходится полагаться на результаты численного моделирования», – говорят Андрес Морер и Мартин Раэ из Гамбургского университета.

Изучая фоновое свечение древних галактик, ученые надеются понять, является ли темная материя источником энергии звезд, или же ее единственный источник – привычный нам синтез.

Подпитка от неизведанного

Звезды образуются, когда достаточно много материи собирается рядом, чтобы гравитация стянула их еще ближе – так близко, чтобы начался синтез. Но чем темная материя хуже обычной в этом плане? Когда облака водорода и гелия, кроме которых в ранней Вселенной практически не было химических элементов, сливались, чтобы образовать звезду, они могли сжать между собой и частицы темной материи.

Темная материя, также как и обычная материя, состоит из частиц, которые имеют античастицы. При их столкновении происходит аннигиляция – процесс уничтожения обоих частиц, при котором выделяется огромная энергии, фотоны, электроны и позитроны (античастица электрона). Взаимодействие этих частиц с окружающими водородом и гелием выделяет огромную энергию. Этот источник энергии вполне может заменить термоядерный синтез, если темной материи было захвачено звездой достаточно. При этом этот источник энергии не столько дополняет обычный, сколько именно замещает.

«Дополнительное давление раздувает звезду, ослабляя ядерный синтез», – говорят ученые.

Этот процесс настолько мощный, что достаточно всего одного процента массы звезды отдать темной материи, чтобы звезда могла светить не хуже Солнца.

Темные звезды сегодня

Темные звезды должны быть крупнее и холоднее их обычных двойников. Кроме того, они живут дольше.

«При достаточных запасах темной материи темные звезды могут пережить саму Вселенную, они все еще могут существовать и сегодня», – говорит Морер.

Более того, темные звезды до сих пор могут образовываться.

Плотность темной материи может быть в миллиарды раз выше в центрах галактик, и там звезды могут ее прибрать к рукам. Так что именно там стоит их искать. Пока что наблюдения не позволяют различить темные звезды и подтвердить их существование. Большие надежды возлагаются на телескоп Джеймса Уэбба. Если темные звезды существуют, он должен их найти.