Новые кандидаты в тёмные звезды: спектры подтверждают необычную природу свечения

В 2007 году физики из Мичиганского университета впервые предположили, что в ранней Вселенной, ещё до появления обычных звёзд, могли существовать так называемые тёмные звёзды. Эти объекты, состоящие из водорода и гелия, разогревались бы за счёт аннигиляции частиц тёмной материи. Температура их поверхности не превышала бы 10 000 кельвин, а излучение шло бы преимущественно в определённом диапазоне.

От фотометрии к спектрам

В 2023 году астрономы впервые обнаружили трёх кандидатов в тёмные звёзды, анализируя фотометрические данные обзора JADES, полученные камерой NIRCam телескопа «Джеймс Уэбб». Три объекта — JADES-GS-z11-0, JADES-GS-z12-0 и JADES-GS-z13-0 — по кривым излучения и распределению энергии соответствовали теоретическим моделям сверхмассивных тёмных звёзд. Однако позже JADES-GS-z12-0 был исключён из-за признаков металличности, то есть присутствия элементов тяжелее гелия.

В новом исследовании учёные проанализировали спектроскопические данные тех же объектов. Результаты показали, что спектры двух из трёх первоначальных кандидатов (JADES-GS-z11-0 и JADES-GS-z13-0) согласуются с теоретическими моделями тёмных звёзд.

Новые кандидаты и загадочный сигнал

Исследователи также обнаружили ещё двух кандидатов: JADES-GS-z14-0 и JADES-GS-z14-1. Особое внимание привлёк самый удалённый и яркий из найденных объектов — JADES-GS-z14-0. В его спектре, предположительно, зафиксирована слабая линия поглощения ионизированного гелия (He II λ1640 Å), которая может быть «отпечатком» тёмной звезды. Однако из-за низкого соотношения сигнал/шум эти данные нельзя считать достоверными.

Кроме того, данные с радиообсерватории ALMA для JADES-GS-z14-0 указали на возможное присутствие эмиссионной линии ионизированного кислорода (O III). Если это подтвердится, то наличие тяжёлых элементов может поставить под сомнение статус объекта как тёмной звезды. Тем не менее все четыре кандидата соответствуют теоретическим моделям по массе, форме и распределению светимости.

Что дальше?

Если дальнейшие наблюдения подтвердят полученные выводы, астрофизики смогут объяснить присутствие в ранней Вселенной неожиданно ярких объектов, а также происхождение сверхмассивных чёрных дыр. Согласно модели, тёмные звёзды могли достигать массы в миллионы солнечных масс и коллапсировать в чёрные дыры, становясь предшественниками сверхмассивных чёрных дыр, наблюдаемых уже в первый миллиард лет после Большого взрыва.

При этом многие физики сомневаются, что тёмная материя состоит из частиц, что ставит под вопрос само существование тёмных звёзд. Окончательный ответ, вероятно, дадут инструментальные наблюдения ближайших десятилетий.