Черные дыры массой в миллионы солнечных и больше находятся в центре многих галактик, управляя их вращением и развитием. Свидетельства существования сверхмассивных черных дыр менее чем через миллиард лет после Большого Взрыва привело ученых в тупик, потому что современная теория звездной эволюции предполагает, что подобным гигантам требуется больше времени на рост. Теперь эта загадка, похоже, решена путем введения таинственной субстанции — темной материи.
В 2003 году в рамках масштабного проекта по обзору неба SDSS [Sloan Digital Sky Survey] было обнаружено полдюжины ранних сверхмассивных черных дыр. Согласно общепринятой концепции, звездообразование началось во Вселенной около 200 миллионов лет после Большого Взрыва и могло привести к формированию черных дыр массой лишь около 100 солнечных. Формирование монстров в миллиард солнечных масс, обнаруженных проектом SDSS в ранней Вселенной, должно было занять миллиарды лет.По мнению ученых, темная материя способна решить головоломку. Темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии, но обнаруживает себя посредствам сил гравитации. Ученые не уверены до сих пор из чего она состоит, среди ведущих кандидатов — гипотетическая слабо взаимодействующая массивная частица (WIMP, weakly interacting massive particles) — нейтралино. При встрече эти частицы могут аннигилировать, испуская гамма-лучи, нейтрино и античастицы.
Расчеты ученых показали, что когда Вселенной было 80-100 миллионов лет протозвездные облака стремились охладиться и сжаться, их гравитация втягивала нейтралино, которые аннигилировали друг с другом, высвобождая энергию, что создала первые звезды. Исследователи окрестили эти объекты «темными звездами», так как питала их темная материя.
Их первоначальные результаты указывали, что темные звезды задержали развитие обычных. В отличии от обычных звезд, где источником энергии служит реакция ядерного синтеза, требующая высокой плотности вещества, темные звезды были во много раз менее плотными, достигая в диаметре около 200 000 солнечных. Более низкая температура поверхности темных звезд и плотность позволила бы им иметь массу в 1000 масс Солнца, для сравнения, предельная масса обычных звезд около 150 масс Солнца.
Новое исследование показывает, что масса темных звезд, возможно, достигала величины в 100000 солнечных. Расчет величины потока нейтралино в темные звезды показал, что темная материя могла питать рост этих экзотических объектов гораздо дольше, чем считалось ранее.
После того как сверхмассивные темные звезды исчерпали запас темной материи, они становятся обычными звездами с ядерным синтезом в качестве источника энергии еще на протяжении около миллиона лет. Из-за своих сверхразмеров они не превратились в сверхновые, а коллапсировали в черные дыры той же массы. В следующий миллиард лет некоторые из этих черных дыр могли объединиться в сверхмассивные черные дыры.
Сверхмассивные темные звезды могли быть в миллиард раз ярче Солнца, но сиять тем же желтым цветом при температуре нашего Солнца. Ученые полагают, что новый космический телескоп «Джеймс Вебб», который планируется запустить в 2014 году, позволит заглянуть достаточно далеко, чтобы обнаружить эти гиганты прошлого. В настоящее время темные звезды не образуются из-за низкой плотности темной материи [в 8000 раз ниже, чем в эпоху темных звезд, когда Вселенная была более компактной].
Не все астрофизики разделяют мнение о существовании темных звезд в прошлом, так как это предположение основано на гипотетических частицах темной материи - нейтралино, способных к самоаннигиляции. Если темная материя состоит не из нейтралино, а других гипотетических частиц — невидимых аксионов, то темные звезды не образуются.
Если космическому телескопу «Джеймс Вебб» удастся обнаружить темные звезды, это станет не только новым шагом в понимании формирования сверхмассивных черных дыр, но и того, чем является темная материя.
