Как узнать, что было в период формирования первых космических объектов? Какими свойствами они обладали? Ученые стараются ответить на этот вопрос, формируя теории и модели, для подтверждения которых необходим анализ массива данных и фотографий.
В июле 2022 года была введена в работу инфракрасная космическая обсерватория имени Джеймса Уэбба. Повышенная светособирающая мощность и инфракрасная чувствительность дала ученым возможность анализировать данные о ранних объектах Вселенной. До «Джеймса Уэбба» было ограниченное количество данных о периоде формирования первых космических объектов.
В конце того же года были обнаружены три объекта, первоначально идентифицированные как галактики — это JADES-GS-z13–0, JADES-GS-z12–0 и JADES-GS-z11–0. С помощью электронного спектроскопического анализа команда ученых подтвердила, что обнаруженные объекты образовались в период 320–400 миллионов лет после Большого взрыва. Это самые ранние объекты, которые были засняты в истории. «Джеймс Уэбб» создал современными снимками новую проблему для астрофизиков — слишком много крупных галактик, которые не могли быть сформированы в таком количестве за такой срок. В большинстве случаев происходит так, что «максимум 10 % газа превращается в звезды. Поэтому наличие 100 % превращения газа в звезды находится на грани того, что теоретически возможно, но это отличается от космологической модели, представленной на данный момент [5]». Необходимо было создание новых версий, которые бы объяснили данное несоответствие, или более точных обоснований уже ранее выдвинутых теорий.
Позднее была предложена теория, что объекты, названные галактиками, являются сверхмассивными темными звездами (SMDS — supermassive dark star, англ.), теоретически предсказанными в 2008 году [2]. В случае обоснования существования темных звезд, это решает проблему, описанную выше, и вместе с тем создает новые горизонты для исследований.
Доказательства:
Но что послужило бы доказательствами? Помимо необходимости соответствия с классическим сценарием Λ CDM (теория лямбда холодной темной материи). Темные звезды соответствуют данным предоставленные «Джеймсом Уэббом». В это включают: спектры, которые подходят для настроек фотометрии обсерватории, и тот факт, что ученые с учетом углового разрешения «Джеймса Уэбба» не могут исключать интерпретацию кандидатов из точечного источника. Поэтому для того чтобы идентифицировать объект как темную звезду, а не как галактику, ей необходимо попадать под два основных критерия:
1) По итогам анализа, нахождение в высокомом ( z ≳ 10) красном смещении, которое согласуется с спектроскопической идентификации разрыва Лаймана. Все спектры сверхмассивных темных звезд были получены через код синтетических звездных атмосфер TLUSTY [4]. Газ и атмосферы звезды обладают своими особенностями в излучение и поглощение. Это учитывается при изучении отличном излучении темных звезд [1].
2) Объект неразрешен или разрешен на незначительные величины. Угловое разрешение обсерватории составляет приблизительно θРес ∼10−6 радианы. z ≃ 10 темных звезд (с радиусом R ∼ 10 а.е.) будут иметь нелинзированный угловой размер ∼10−13 радиан, что значительно ниже углового разрешения любого мыслимого телескопа. Поэтому при сильном линзировании темных звезд, значения все равно будут ниже предела разрешения «Джеймса Уэбба», то есть выглядеть как точечный источник [1].
Приведенные критерия дают основания для утверждения, что обнаруженные объекты не являются галактиками, а значит являются либо уже обнаруженным ранее объектом, например, звездой, либо, как обозревается в этой статье, темной звездой, чье «существование» совершенно отличается от остальных. Под этим подразумевается: иное событие, способствующее формированию протозвезды, и отличный ход развития всей структуры, объяснения которой ученые еще выводят.
Как они образовываются и предположительный состав:
Так как темные звезды могут являться самыми «старыми» объектами подобного типа, то стоит обозначить их возраст — приблизительно 13 миллиардов лет. На их рождение, возможно, повлияло присутствие темной материи. Данный тип материи еще не опознан и по мнению ученых составляет большую часть всей материи во Вселенной.
Ранняя Вселенная. В центрах протогалактик находятся сгустки темной материи, где ее в достаточном количестве в результате Большого взрыва, облака водорода и гелия. Постепенно этот газ начинает охлаждаться, чем провоцирует уплотнение частиц темной материи. Она начинает аннигилировать, разогреваясь [2]. Именно темная материя является источником тепла для темной звезды. Этот процесс предотвращает не только коллапс газа, но и поддерживает термоядерный синтез, схожий с этим процесс в обычных звездах. Темная звезда продолжает собирать больше газа и темной материи. Источник энергии обычных звезд, как известно, сконцентрирован в их ядре. когда же у темных звезд — распределен равномерно, создавая тем самым отличную динамику и форму. Их размер, предположительно, может достигать в 10 миллион раз больших, чем масса Солнца [3].
Исходя из динамики формирования и состава можно предположить внешний вид: яркие массивные диффузные объекты. Первые звезды Вселенной не сияли, были невидимы визуально, источая тепло, а их яркое свечение, уловимое «Джеймсом Уэббом» объясняется нагревом пыли или другого вещества. Но на данном моменте стоит обозначить, что ученые расходятся во мнении, так существует
предположение, что их светимость достигает размерности в 10 миллиардов раз больших, чем Солнце. Охлажденный газ и темная материя внутри темной звезды делает ее достаточно устойчивой.
Была составлена модель одним из художников университета Юта:
Опровержение:
Темная материя все так же остается самой загадочной материей в науке, отчего теория о темных звездах естественно поддается сомнениям. И не без оснований. Так существуют другие объяснения объектам, обнаруженным «Джеймсом Уэббом». На данный момент также не стоит пренебрегать предположением, согласно которому «центральные сверхмассивные черные дыры могут нагревать окружающий газ, делая галактики ярче [5]». Это влияет на то, что галактики выглядят более массивными, чем они есть. Они не опровергают аргумент против того, что обнаруженные объекты нарушают космологическую модель Λ CDM. В другом варианте, галактики видны намного позже по времени, что изначально предполагается ученым. Причина тому пыль, которая заставляет цвет света смещаться в более красную «зону» спектра. Это создает иллюзию того, что они находятся на расстоянии больших световых лет, то есть в более позднем периоде времени.
С точностью можно сказать, что как подтверждение, так и опровержение ставит ученым новые, меняющие взгляд на некоторые положения, задачи.
Как подтверждение теории изменит астрофизику?
В будущем будут производится наблюдения спектроскопических свойств объектов такие как: провалы или превышение интенсивности света в определенных частотах диапазона. Это даст ученым подтверждение того являются ли эти объекты-кандидаты темными звездами.
Но что, если, отбросив предыдущий пункт, ученые подтверждают существование нового объекта. Что это способно изменить? Можно обозначить несколько выводов:
1) Они являются совершенно новой фазой в эволюции звезд, что поможет в исследовании других типов звезд.
2) Способны дать улучшенное понимание о синтезе тяжелых элементов.
3) Их возможное существованиеможет помочь поиску и распознаванию темной материи, гамма-лучей и нейтрино.
4) Дать объяснение причины образования черных дыр, как сколапсированных звезд.
Дальнейшие исследования позволят ученым дать наиболее подробный ответ о существовании сверхмассивных темных звезд и их составе.
Литература:
1. Ilie C., Paulin J., Freese K. Supermassive Dark Star candidates seen by JWST? //arXiv preprint arXiv:2304.01173. — 2023.
2. Spolyar D., Freese K., Gondolo P. Dark matter and the first stars: a new phase of stellar evolution //Physical Review Letters. — 2008. — Т. 100. — №. 5. — С. 051101.
3. Ilie C. et al. Observing supermassive dark stars with james webb space telescope //Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. — 2012. — Т. 422. — №. 3. — С. 2164–2186. doi.org/10.1111/j.1365–2966.2012.20760.x
4. Hubeny I. A computer program for calculating non-LTE model stellar atmospheres //Computer Physics Communications. — 1988. — Т. 52. — №. 1. — С. 103–132.
5. Boylan-Kolchin M. Stress testing Λ CDM with high-redshift galaxy candidates //Nature Astronomy. — 2023. — С. 1–5.https://doi.org/10.1038/s41550–023–01937–7
