Размытая темная материя может быть причастна к образованию темных звезд.

Темные звезды, как их называют, состоят из ультралегких частиц — бозонов, и внутри таких структур присутствует также обычная, барионная материя. Несмотря на существующие доказательства, указывающие на наличие темной материи (например, ее гравитационное влияние на космические объекты), ученые до сих пор не знают, из чего она состоит.

Десять лет назад наиболее вероятными кандидатами на роль темной материи считались предсказанные рядом теорий вимпы (WIMPs), которые, среди прочего, гармонично вписываются в Стандартную космологическую модель (модель ΛCDM). Тем не менее, попытки уловить эти частицы с помощью специальных детекторов пока что не привели к успеху, что заставило физиков обратиться к альтернативным моделям.

Согласно гипотезе холодной темной материи (cold dark matter, CDM), эта невидимая материя состоит из частиц, которые движутся медленнее скорости света и почти не взаимодействуют друг с другом и с обычной материей. Хотя модель хорошо описывает крупномасштабное распределение вещества во Вселенной, при изучении локальных структур, таких как плотные ядра галактик, она дает противоречивые результаты, предсказывая слишком «жесткие» и плотные галактические ядра по сравнению с данными наблюдений.

Чтобы согласовать теорию с наблюдениями, астрофизики обратились к еще более экзотическим моделям, в частности к теплой холодной материи (warm dark matter, WDM) — ее частицы быстрее и легче вимпов — и размытой темной материи (fuzzy dark matter, FDM), частицы которой имеют еще меньшую массу.

Если темная материя действительно состоит из чрезвычайно легких бозонов, ее квантово-волновые свойства могут проявляться на масштабах целых галактик, а сами «кванты» — формировать протяженные объекты с относительно низкой средней плотностью. Такие структуры называют темными или бозонными звездами (если речь идет о конкретных математических решениях).

Чтобы выяснить, могут ли размытая темная материя и обычный газ образовывать темные звезды (устойчивые структуры в ядрах галактик), ученые из Университета Мичоакана (Мексика) и Геттингенского университета (Германия) с помощью компьютерного моделирования рассмотрели упрощенную задачу, взяв смесь размытой темной материи (смоделированной уравнением Шредингера — Пуассона) и небольшой доли обычного газа (смоделированного без учета таких сложных процессов, как охлаждение и звездообразование). Исследователи проследили, как эти два компонента эволюционируют под воздействием гравитации.

Результаты научной работы, представленной на сервере препринтов Корнеллского университета, показали, что изначально «хаотические» облака темной материи и газа быстро пришли к конфигурации, близкой к равновесию: размытая темная материя формировала центральное ядро, а газ концентрировался вблизи него. В результате формировалась устойчивая фермионно-бозонная звезда или темная звезда (прототип возможного галактического ядра), окруженная облаком темной материи.

Предварительный анализ также показал, что такая модель, в принципе, не противоречит астрономическим наблюдениям. Это потенциально делает темные звезды ключевыми кандидатами на роль галактических ядер (в контексте размытой темной материи, в отличие от классической модели холодной темной материи).

Однако, чтобы сопоставить теорию с данными конкретных наблюдений и окончательно объяснить формирование ядер, потребуются дальнейшие, более сложные симуляции (с учетом охлаждения, звездообразования, вращения и так далее).

Если будущие исследования подтвердят новые выводы ученых, гипотеза размытой темной материи получит дополнительную поддержку, а темные звезды будут рассматриваться как ключевой сценарий для описания галактических ядер.