В новом выпуске программы StarTalk астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс обсуждают одну из самых интригующих гипотез современной космологии — существование «тёмных звёзд». В качестве эксперта приглашена Кэти Фриз (Katie Freese), директор Института теоретической физики имени Вайнберга при Техасском университете в Остине, которая стояла у истоков этой теории и предложила механизмы, способные перевернуть наше представление о формировании первых объектов во Вселенной.
🌌 Природа тёмной материи: «Морская пена на океане гравитации» 0:00
Тёмная материя составляет около 85% всей гравитации во Вселенной . Нил Деграсс Тайсон описывает видимые звёзды и галактики лишь как «морскую пену на поверхности гигантского океана тёмной материи», которая на самом деле управляет движением материи в космосе .
Кэти Фриз выделяет две наиболее вероятные частицы-кандидаты на роль тёмной материи:
- WIMPs (Вимпы): Слабовзаимодействующие массивные частицы .
- Аксионы: Легкие частицы, предсказанные для решения проблем сильного взаимодействия в физике частиц .
По словам Фриз, вимпы имеют массу, примерно в 100 раз превышающую массу протона . Несмотря на их плотность (сквозь тело человека ежесекундно проходят миллиарды таких частиц), они практически не взаимодействуют с обычной материей . Согласно расчётам учёной, взаимодействие вимпа с ядром атома в человеческом теле может происходить примерно раз в месяц, не нанося вреда .
Важным теоретическим обоснованием вимпов является суперсимметрия (SUSY): Фриз поясняет, что в этой модели у каждой известной частицы есть более тяжелый партнер. Самая легкая из этих суперсимметричных частиц стабильна и является идеальным кандидатом на роль тёмной материи .
☀️ Тёмные звёзды: Светила без ядерного синтеза 25:29
Главная научная работа Кэти Фриз касается «тёмных звёзд» — гипотетических объектов, которые могли быть первыми звёздами во Вселенной . Вопреки названию, они состоят на 99,99% из обычного водорода и гелия, но их источником энергии является не термоядерный синтез, а аннигиляция тёмной материи .
Основные характеристики тёмных звёзд по версии Фриз:
- Масштаб: Они начинаются с массы, равной солнечной, но могут вырастать до миллиона масс Солнца .
- Светимость: Могут быть в миллиард раз ярче Солнца, что делает их сопоставимыми по блеску с целыми ранними галактиками .
- Структура: Это «пухлые» и относительно холодные объекты. Их радиус может в 10 раз превышать расстояние от Земли до Солнца .
- Время появления: Около 200 миллионов лет после Большого взрыва .
🔭 Решение загадки сверхмассивных черных дыр через JWST 31:54
Теория тёмных звёзд предлагает элегантное решение проблемы «невозможных» черных дыр. Астрономы давно задаются вопросом, как сверхмассивные черные дыры успели вырасти до гигантских размеров в очень ранней Вселенной. По мнению Фриз, когда у тёмной звезды заканчивается «топливо» (тёмная материя), она коллапсирует, образуя «семя» сверхмассивной черной дыры массой в миллион солнечных .
Кэти Фриз сообщает о первых результатах работы телескопа Джеймса Уэбба (JWST):
- В 2010 году Джон Мазер (нобелевский лауреат и ведущий ученый JWST) попросил группу Фриз подготовить спектральные прогнозы для тёмных звёзд .
- Год назад были проанализированы данные по пяти объектам из ранней Вселенной.
- Три из них оказались «идеально точным совпадением» с предсказанным спектром тёмных звёзд .
Для окончательного подтверждения ученым необходимы более детальные спектры, чтобы убедиться в отсутствии следов тяжелых элементов (углерода или кислорода), которые не могли присутствовать в первых тёмных звёздах .
📻 Детекция и «Тёмный Большой взрыв» 21:11
Обсуждая попытки обнаружить тёмную материю на Земле, Фриз упоминает эксперимент DAMA в Италии . Учёные зафиксировали ежегодную модуляцию сигнала: интенсивность столкновений частиц достигает пика в июне и минимума в декабре . Это согласуется с теорией о том, что Солнце движется сквозь «ветер» тёмной материи, а Земля то ускоряется относительно него, то замедляется . Однако Фриз отмечает, что научное сообщество скептически относится к этим данным, так как коллаборация DAMA не предоставляет доступ к первичным сведениям для независимой проверки .
Также Фриз и её коллеги предложили концепцию «Тёмного Большого взрыва» . Согласно этой гипотезе, обычная материя могла появиться в результате инфляции сразу, а тёмная материя возникла в результате отдельного события спустя некоторое время (вплоть до одного месяца после начала существования Вселенной) . В рамках этой экзотической модели обсуждаются такие частицы, как:
- DarkZilla (Тёмзилла): Сверхмассивные частицы .
- Каннибальская тёмная материя: Частицы, которые «поедают» друг друга (при взаимодействии четырех частиц остаются две с большей энергией) .
🧪 Научное сопротивление и признание 45:37
Кэти Фриз поделилась личной историей о том, как трудно внедрять радикальные идеи. Когда в 2007 году она впервые представила теорию тёмных звёзд, некоторые коллеги-мужчины открыто называли её «сумасбродкой» (crackpot) . Однако научный метод в итоге победил: те же самые критики позже начали писать научные работы, основываясь на её модели .
Сегодня Кэти Фриз с оптимизмом смотрит на будущее своих исследований, отмечая, что если её теория окажется верной, это не просто объяснит происхождение черных дыр, но и даст нам в руки ключ к пониманию основной составляющей массы Вселенной .
