«Бессмертные звезды» и изобретательская наука

Только что вышла очередная работа за авторством Isabelle John, Rebecca K. Leane, и Tim Linden (Стокгольмская обсерватория и Стэнфордский университет) про аннигиляцию темной материи в звездах, которая привлекла к себе внимание благодаря броскому названию и увлекательному сценарию¹. Вкратце, сценарий выглядит так: в центре Галактики звезды «наедаются» темной материи и начинают светить за счет ее аннигиляции в своих недрах, в том числе и после того, как исчерпывается термоядерное топливо. А темная материя не исчерпывается, отсюда и бессмертие звезд.

Интересно, что при этом звезды повторяют свою раннюю эволюцию в обратном направлении: они сходят с главной последовательности, распухая, остывая и прибавляя в светимости за счет увеличения поверхности. Таким образом, они становятся похожими на протозвезды перед тем, как последние сжались и «сели» на главную последовательность. В таком состоянии они и остаются навеки, будучи зарегулированы темпом поедания темной материи: если звезда слишком распухла, она становится прозрачней и темп поглощения темной материи падает, соответственно падает энерговыделение и звезда сжимается к равновесному размеру. Эти звезды образуют последовательность, альтернативную главной. Авторы назвали ее “dark matter sequence” — когда-нибудь звезды главной последовательности либо превратятся в белых карликов, либо перейдут на эту новую «темную ветвь».

Реализовать такой сценарий не так просто — он требует серьезных натяжек. Прежде всего частицы темной материи должны «застревать» в звезде, а не прошивать ее насквозь по кеплеровским орбитам. Для этого авторы заложились на большое сечение взаимодействия темной материи и нуклонами — 3×10^–35 см² в одном варианте и 10^–37 см² в другом. Такое сечение уже превышает экспериментальные ограничения, хотя имеется лазейка — хитроумный тип взаимодействия (зависящее от спина), который слабо ограничен.

Но этого мало — требуется еще большая плотность частиц темной материи в центре Галактики. Пришлось «натягивать» и этот параметр — вводить дополнительную компоненту темной материи с пиком плотности в центре.

Приняв эти экстремальные предположения, авторы взяли выборку звезд, характерную для центра Галактики, рассчитали их эволюцию под действием аннигиляции темной материи внутри звезды и получили новый трек типа главной последовательности, но с большей светимостью при меньших температурах. Эта часть работы основана на достаточно хорошо разработанных методах и не вызывает вопросов.

Наблюдается ли что-нибудь подобное из центра Галактики? Проблема в том, что прохладные «бессмертные» довольно трудно наблюдать из-за пыли и мощного инфракрасного фона, о чем авторы и пишут, упоминая некоторые очень косвенные признаки в пользу своей идеи. Чтобы их обнаружить, нужны новые инструменты: авторы возлагают надежды на будущие телескопы тридцатиметрового класса.

В чем основная проблема «бессмертных звезд»? Задаваясь любыми экстремальными предположениями, полезно также задаваться вопросом, а не аукнутся ли эти предположения где-то еще, подразумевая яркие эффекты, которых нет. Например:

• Если в центре Галактики очень много темной материи, и она аннигилирует не только в звездах, но и в пространстве, то это должно быть видно. Можно ли запретить аннигилировать темной материи на два фотона? Если нет, то аннигиляция должна наблюдаться в виде монохроматической линии от центра Галактики. Если масса частиц темной матери лежит в диапазоне от сотен МэВ до сотен ГэВ, то она должна быть видна в данных космического телескопа «Ферми». Если масса меньше — то в данных рентгеновских телескопов. Этого не наблюдается, хотя несколько лет назад вроде бы прорисовалась гамма-линия в районе 100 с небольшим ГэВ. Это вызвало некий шум, хотя статистическая значимость линии была явно завышена. Вскоре она «рассосалась», оказавшись обыкновенной статистической флуктуацией.
• Что произойдет с нейтронными звездами при таком большом сечении взаимодействия частиц аннигилирующей темной материи с веществом? Не «наглотаются» ли они темной материи в таком количестве, что «испарятся»?

Чтобы ответить на эти вопросы, надо считать, но главное — не игнорировать эти проблемы.

Вообще, работ, посвященных взаимодействию темной материи с астрофизическими объектами довольно много. Просто нагрев звезд (не столь экстремальный), нагрев нейтронных звезд и даже коллапс нейтронных звезд в черные дыры². Если темная материя реализовалась в виде легкого скалярного поля, то возможны даже «бозонные звезды» из нее, которые могут взрываться³.

Несмотря на скептический тон данной заметки, я считаю, что данная работа интересна и, безусловно, имеет право на существование. Я бы охарактеризовал подобный тип работ как «изобретательскую физику». Вот есть идея некоего физического явления, не замеченного в окружающем мире и не требуемого для объяснения каких-то данных. Но если оно возможно в рамках известных физических принципов и не противоречит экспериментальным/наблюдательным данным, хотя и не подтверждается ими, почему бы не выдвинуть эту идею?! Во-первых, «а вдруг!». Во-вторых, кто-то может заняться ее опровержением через имеющиеся данные — это тоже по-своему интересно. Пусть подобные изыскания не находят связи с реальностью, но без них наука беднее — фантазия обогащает жизнь.

Журналисты, как обычно, не подкачали. Догадаться о том, как звучат заголовки новостей по данному поводу несложно: «Ученые открыли „бессмертные“ звезды в центре Млечного Пути» («Газета.ру») и т. п.

Борис Штерн

Автор благодарит старшего научного сотрудника ИЯИ РАН Дмитрия Левкова за ценный комментарий

¹ arxiv.org/abs/2405.12267

² arxiv.org/abs/2112.09716

³ arxiv.org/abs/2305.01005