space

Темные звезды: первые звезды во вселенной

Категория: Поиск жизни

Звезда умирает. Внезапная вспышка света означает конец взрыва сверхновой. Однако это только часть жизненного цикла звезд, поскольку богатые материалы, созданные во время предсмертной агонии звезды, выбрасываются в космос сверхновой .

Когда формируется следующее поколение звезд, они сметают остатки сверхновой, накапливая металлы, которые производила умирающая звезда. Металлы — это термин, который астрономы используют для обозначения всего, что тяжелее водорода и гелия . Металлы важны; без них диск из газа и пыли, окружающий вновь формирующуюся звезду, не смог бы создать скалистые планеты. Но если новые звезды перерабатывают металлы, образовавшиеся в результате смерти старых звезд, что же сделали самые первые звезды?

Вселенная началась с Большого взрыва , в результате которого образовались газы водород и гелий, следы лития и, возможно, также бериллий . Материя начала слипаться, втягивая в себя еще больше материала за счет гравитационного притяжения. Возможно, это была темная материя — загадочная субстанция, которую еще предстоит обнаружить напрямую, — которая начала накапливаться первой.

Затем это втянуло обычную материю, то, что мы можем видеть, например, водород и гелий. Вместе темная и обычная материя создали то, что известно как «мини-ореол», хотя название несколько вводит в заблуждение, поскольку мини-ореолы имели массу примерно в миллион раз больше, чем наше Солнце.

Именно в мини-ореолах родились первые звезды через 200 миллионов лет после Большого взрыва.

Первые звезды известны как звезды населения III и никогда не наблюдались, так как они слишком тусклые. Первые звезды должны были довольствоваться тем, что у них было, и образовались из облаков, содержащих только водород и гелий. Когда они погибли в результате взрыва сверхновых, они произвели первые металлы для последующего населения звезд, населения II, которое имеет небольшую долю металлов. Так родились богатые металлом звезды Population I.

Темная материя в мини-ореоле могла не только объединить элементы — она ​​также могла присутствовать глубоко внутри первых звезд. Эти звезды известны как « темные звезды » из-за наличия в них темной материи, хотя на самом деле они светились бы очень ярко.

Все, что мы можем видеть и обнаруживать — звезды и галактики — составляет лишь 5% Вселенной, тогда как темная материя составляет 25%. Остальное состоит из темной энергии, еще одной странности, которая, как считается, ответственна за ускорение расширения Вселенной.

Как отмечает ЦЕРН , темная материя не взаимодействует с обычной материей и не производит света. Мы знаем только, что он должен быть там, поскольку его огромная гравитационная сила тянет за собой обычную материю.

Одной из ведущих теорий, пытающихся объяснить невидимую массу во Вселенной, является гипотетическая частица, известная как WIMP — слабо взаимодействующая массивная частица. «Слабое» взаимодействие относится к их отношениям с обычной материей.

Однако они все равно будут взаимодействовать сами с собой. Фактически, если два WIMP столкнутся друг с другом, они уничтожат друг друга в процессе, известном как аннигиляция. Это потому, что теории, подобные этому исследованию в Университете Мэриленда, предсказывают, что WIMP являются их собственными «античастицами».

В обычном веществе есть античастицы — частицы с одинаковыми свойствами, но с противоположным зарядом. Атомы состоят из ядра, окруженного электронами. Электроны имеют отрицательный заряд, и если они встретят частицу, известную как позитрон, — с положительным зарядом — электрон и позитрон катастрофически аннигилируют друг с другом.

Побочным эффектом аннигиляции является то, что она производит энергию. Когда звезда начинает формироваться в мини-гало, коллапсирующий материал будет содержать водород, гелий и вимпы.

Сначала энергия, производимая сталкивающимися вимпами, утекает в космос, но когда плотность водорода достаточно высока, он улавливает энергию от вимпов внутри звезды. Несмотря на то, что вимпы составляют лишь крошечную часть массы звезды, они настолько эффективны в производстве энергии, что могут питать темную звезду миллионы или даже миллиарды лет.

До сих пор неясно, были ли все первые звезды обычными звездами населения III без темной материи, темных звезд или сосуществовали оба типа звезд. «Стандартный сценарий образования первых звезд не основан на аннигиляции темной материи», — говорит Эрик Закриссон из Уппсальского университета в Швеции.

«Темные звезды просто рассматриваются как экзотическая альтернатива стандартному маршруту формирования».

Обычные звезды получают энергию от термоядерного синтеза — процесса, который превращает водород в гелий в ядре звезды. Звезды населения III были бы массивными, примерно в 100 раз превышающими массу нашего Солнца. Однако они также были очень горячими, и это ограничивало количество материала, которое они могли накапливать.

С другой стороны, темные звезды были намного круче. Это означало, что они могли накапливать значительно больше окружающего материала и теоретически могли продолжать расти, пока было достаточно темной материи для их подпитки, как отмечает НАСА . Темные звезды могли достигать массы, в миллион раз превышающей массу Солнца, и иметь светимость в миллиард раз ярче его.

Как говорится, все хорошее когда-нибудь заканчивается, и WIMP в конце концов уничтожат друг друга. В отличие от звезд населения III, которые заканчивают свою жизнь как сверхновые, темные звезды настолько массивны, что им суждено стать черной дырой. Более мелкие темные звезды могут совершить обходной путь на пути к забвению, ненадолго воспламенившись как обычная звезда, работающая на термоядерном синтезе.

Когда это произошло, звезда сожмется и станет горячее. Водород быстро потребился бы в брюхе звезды, и когда термоядерный двигатель больше не мог поддерживать звезду, произошел бы неизбежный коллапс в черную дыру.

Самая массивная из темных звезд вообще прошла бы стадию термоядерного синтеза и рухнула бы прямо в черную дыру. Эти черные дыры были настолько массивными, что предлагали решение проблемы, которая раньше озадачивала ученых.

Сверхмассивные черные дыры, масса которых может достигать миллиардов солнечных, существуют в центре каждой галактики и, как известно, существовали только через миллиард лет после Большого взрыва. Однако обычной звезде, коллапсирующей в черную дыру, потребуется более нескольких сотен миллионов лет, чтобы поглотить достаточно материала, чтобы превратиться в сверхмассивную черную дыру.

«Обычные звезды не могут этого сделать, потому что обычные звезды слишком малы», — объясняет Кэтрин Фриз из Техасского университета в Остине. «Темные звезды, с другой стороны, могут вырасти и стать в миллион раз массивнее Солнца, а затем, когда у них закончится топливо, они схлопнутся в черные дыры массой в миллион солнечных масс, идеальные семена чудовищных сверхмассивных черных дыр. »

Сверхмассивные темные звезды с вимпами могли образоваться только в мини-ореолах ранней Вселенной, когда плотность темной материи была намного выше, чем сегодня. Со временем, по мере того, как Вселенная расширялась, все становилось все более рассредоточенным, поэтому больше не существует мини-ореолов, способных рождать сверхмассивные темные звезды.

Это ограничивает их ранней Вселенной, что также означает, что они находятся на большом расстоянии от нас здесь, на Земле. Астрономы используют термин « красное смещение » для обозначения расстояния в космологии, поскольку свет от удаленного объекта будет смещаться в сторону красного конца спектра, если он удаляется от нас. Темные звезды существуют только на больших красных смещениях, что затрудняет наблюдение.

Инфракрасные изображения сверхглубокого поля, сделанные Хабблом, использовались для поиска темных звезд, но не были обнаружены. Это не обязательно означает, что их не существует, поскольку могут быть менее яркие темные звезды, скрывающиеся за пределами видимости Хаббла. Предстоящий космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), который должен быть запущен в октябре 2021 года, превзойдет своего предшественника, заглянув в более далекое прошлое.

«Если темные звезды действительно существуют и являются достаточно массивными, многочисленными и долгоживущими, то у JWST определенно есть неплохой шанс подтвердить их существование на больших красных смещениях», — говорит Закриссон.

«Однако, поскольку распределение свойств темных звезд зависит как от свойств частиц темной материи, так и от космологической эволюции гало темной материи, в которых они находятся, успех отнюдь не гарантирован».

Даже если JWST не может обнаружить отдельные темные звезды, он все равно сможет обнаружить их общее свечение.

Подобно тому, как отдельные уличные фонари складываются, создавая раздражающее желтое свечение над городами, свет от звезд и галактик накапливается в так называемый внегалактический фоновый свет (EBL). EBL в определенной степени уже нанесена на карту, но улучшенные измерения с помощью JWST помогут уловить вклад темных звезд, с чем раньше было невозможно справиться.

Хотя аннигиляция вимпов теоретически может обеспечить достаточно топлива, чтобы поддерживать темную звезду в течение миллиардов лет, маловероятно, что какая-либо из темных звезд из ранней Вселенной все еще существует сегодня. Однако возможно, что новое поколение темных звезд могло существовать там, где концентрация темной материи все еще несколько высока, например, в центре галактик.

Поскольку в центрах галактик меньше темной материи по сравнению с мини-ореолами древней Вселенной, новое поколение темных звезд было бы гораздо менее массивным — только эквивалентным нашему Солнцу — и никогда не сможет соперничать со славными днями света. первые звезды.

Темные звезды солнечной массы около центра галактики образовались бы не во время захвата вимпов внутри себя, а в результате захвата части темной материи, находящейся в центре галактики. Когда это происходит, нагревание темной материи заменяет обычный термоядерный синтез, а звезды охлаждают и расширяются.

Это не только заставит их казаться моложе, чем они есть на самом деле, но и значительно продлит их жизнь. Если бы у них было достаточно темной материи, чтобы она могла непрерывно срастаться, темные звезды могли бы существовать бесконечно. Вечные темные звезды могут убить некоторые звезды во Вселенной.

Другая возможность заключается в том, что «мертвые» звезды, такие как нейтронные звезды или белые карлики в центре Галактики, могут собрать достаточно WIMP, чтобы вызвать нагрев темной материи, как было отмечено в исследовании Королевского университета в Кингстоне, Онтарио. В противном случае эти звезды со временем стали бы тусклее, но с новым источником тепла они обретали бы новую жизнь и казались странно моложе и горячее, чем ожидалось.

Понимание ранних лет нашей чудесной Вселенной и того, как появились первые звезды, имеет решающее значение для понимания того, что мы видим вокруг нас сегодня, а также понимания более сложных объектов и явлений в Солнечной системе.

Это темный период, который трудно наблюдать, но с телескопами следующего поколения, такими как JWST, наконец-то станет возможным обнаружение как сверхмассивных темных звезд ранней Вселенной, так и их менее впечатляющих собратьев в центре Галактики.

Поделиться с друзьями: