Что произойдет со звездой, если она окажется внутри плотного облака темной материи? Авторы нового исследования считают, что ее эволюция может пойти вспять. Смоделировав развитие такой популяции светил, ученые описали новую «главную темную последовательность». Самое удивительное, что их гипотезу можно проверить — нужно лишь присмотреться к центру Млечного Пути.
Иллюстрация траекторий движения так называемых S-звезд вблизи центра Млечного Пути / © NCSA, UCLA, Keck
Согласно общепринятым моделям, звезды не могут формироваться в пределах 0,3 светового года (0,1 парсека) от сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, где летают так называемые S-звезды. Значит, они мигрировали в эту область уже после рождения. Проблема в их возрасте, они младше 15 миллионов лет. К тому же в их спектре есть черты более взрослых звезд. Необычно и то, что среди S-звезд многовато массивных светил. В то же время взрослых звезд в окрестностях центра Галактики слишком мало.
Несмотря на безуспешные попытки найти темную материю в диске Млечного Пути и других подобных галактик, некоторые астрономы предполагают, что она там все же присутствует. Причем, по их расчетам, в центре Галактики ее плотность должна быть достаточно высокой, чтобы влиять на внутренние процессы звезд.
Авторы новой работы, выложенной в открытый доступ на сайте arXiv, впервые описали, как будет выглядеть популяция звезд, «задетая» темной материей. Используя результаты предыдущих исследований, они смоделировали эволюцию таких объектов. По результатам ученые построили диаграмму новой «темной главной последовательности».
Звезды эволюционируют по известным сценариям. Они устойчивы, пока направленная внутрь сила притяжения уравновешивается энергией от нуклеосинтеза, направленной вовне. Их светимость, температура и радиус взаимосвязаны. Именно это отражает знаменитая диаграмма Герцшпрунга — Рассела. Тем временем в молодой Вселенной и в областях с высокой концентрацией темной материи аннигиляция этой материи может быть значительным дополнительным источником энергии.
В новой работе ученые смоделировали эволюции двух популяций звезд массой от одной до 10 солнечных масс, которые развиваются без участия и с участием темной материи. Воздействие темной материи учитывалось уже после формирования тела, когда эта «готовая» звезда оказывалась в гипотетическом облаке темной материи в окрестностях центра Галактики.
Исследователи из Центра физики космических частиц имени Оскара Клейна (Швеция) и Института астрофизики частиц и космологии имени Кавли (США) вывели четыре сценария эволюции звезд под воздействием темной материи. У первой группы аннигиляция темной материи заменяет лишь часть нуклеосинтеза. Водород в них перерабатывается медленнее, развитие замедляется. Продолжительность их жизни может быть в десятки и сотни раз больше, чем у «обычных» звезд.
Вторая группа из-за обилия попавшей в них темной материи «застревает» на эволюционном треке Хеньи. Обычные звезды проходят этот путь быстро: сжимаются, «разжигают» в себе нуклеосинтез и выходят на главную последовательность. В присутствии большого количества темной материи даже звезды, уже вышедшие на главную последовательность, могут «затушить» свой нуклеосинтез настолько, что возвращаются на трек Хеньи. Теоретически, такие звезды должны жить очень долго, но авторы работы смоделировали лишь 10 миллиардов лет.
Третья группа «застревает» на эволюционном треке Хаяси, где находятся звезды, в которых еще не запустился нуклеосинтез. Обычные звезды выходят с него на трек Хеньи, либо становятся коричневыми карликами. Аннигиляция темной материи в этих звездах полностью заменяет нуклеосинтез, и светила выходят на трек Хеньи без «горения водорода». Такие звезды выглядят молодыми, но имеют черты старых звезд, «переживших» нуклеосинтез. Они бессмертны.
Наконец, у звезд четвертой группы темная материя «обращает» эволюцию вспять. Возможно, даже превращает их в облака газа. В окрестностях центра Млечного Пути есть подобные тела — так называемые G-объекты, похожие на плотные ядра, окруженные облаком газа.
На диаграмме таких звезд — «темной главной последовательности», как ее назвали авторы, — заметны три особенности. Во-первых, обилие массивных звезд на главной последовательности, потому что все маломассивные звезды меняют свои траектории эволюции из-за более заметного воздействия на них темной материи. Во-вторых, обилие звезд на треке Хаяси, потому что они «бессмертны». В-третьих, множество массивных светил на треке Хеньи. В общем, такая гипотеза хорошо описывает некоторые особенности известных космических тел вблизи центра Галактики.
Подтвердить эти предположения можно с помощью более детальных наблюдений за объектами вблизи галактического центра. Возможно, многие описанные звезды просто отсеиваются в ходе наблюдений. Например, светила на треке Хаяси могут быть достаточно холодными и не попадать в выборки. Авторы новой работы уверены, что такие «потерянные» звезды можно найти с помощью комплекса телескопов VLT и обсерватории Кека, если настроить параметры поиска. Новое поколение телескопов позволит провести уже полноценные наблюдения.
Комментарии
Звучит весьма интересно, но...
... Использованная плотность темной материи1e10 ГэВ/см3 - это 250М солнечных масс в куб-парсеке. При такой плотности уже было бы гравитационное влияние на орбиты S-звезд. Постепенное торможение за счет кильватерной волны сгущения, которая будет возникать в ТМ, которое было бы видно в их распределении. При 1е13 ГэВ/см3, что указано верхним пределом, они все бы ухнули в черную дыру за время пары сотен миллионов лет, намного меньшее возраста галактики. Кроме того, сама СМЧД росла бы при этом с огромной скоростью, поглощая темную материю. И есть много свидетельства, что центрального всплеска плотности ТМ нет (cusp problem)
...Если массивные частицы ТМ аннигилируют на гамма-кванты, то их энергии будет достаточно для фотодезинтеграции - в том числе ядер гелия обратно в нейтроны и протоны. Это же сотни МэВ, а то и больше. Если аннигиляция ТМ делает звезды бессмертными, то общее энерговыделение в их недрах будет гораздо больше запаса термоядерной энергии в водороде. И поскольку второе соответствует превращению всего водорода в гелий, то первого, по определению, хватит на то, чтобы разбить все тяжелые ядра в нейтроны и протоны, т.е. по сути, в водород. Омоложение будет и по химсоставу, и столь радикальным, что этого будет трудно не заметить на спектрах - самые массивные и долгоживущие звезды будут состоять практически из чистого водорода без заметной примеси гелия.
...Ну и, радиус влияния этого эффекта должен быть пропорционален массе центральной СМЧД и плотности ТМ - то есть, в M87 область аномальной эволюции звезд была бы порядка на три с лишним шире, чем у нас. Кстати, там вроде что-то было такое...
В Млечном пути, чисто статистически, есть популяция звезд, чья скорость относительно локальной ТМ очень мала. В таких звездах она тоже будет концентрироваться. Можно бы поискать аномально молодые и горячие звезды вдали от областей звездообразования...