Gwiazdy świecą jasno z ciemności kosmosu dzięki fuzji, stopieniu się atomów i uwolnieniu energii. Ale co, jeśli istnieje inny sposób zasilania gwiazdy?
Zespół trzech astrofizyków — Katherine Freese z University of Texas w Austin, we współpracy z Cosminem Ilie i Jillian Paulin ’23 z Colgate University — przeanalizował zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) i znalazł trzy jasne obiekty, które mogą być „ciemnymi gwiazdami”, teoretycznymi obiektami znacznie większymi i jaśniejszymi niż nasze Słońce, zasilanymi anihilującymi cząstkami ciemnej materii. Jeśli zostanie to potwierdzone, ciemne gwiazdy mogą ujawnić naturę ciemnej materii, jednego z najgłębszych nierozwiązanych problemów w całej fizyce.
„Odkrycie nowego typu gwiazd samo w sobie jest dość interesujące, ale odkrycie, że napędza go ciemna materia – byłoby ogromne” – powiedział Freese, dyrektor Weinberg Institute for Theoretical Physics oraz Jeff and Gail Kodosky Endowed Chair w Fizyka na UT Austin.
Chociaż ciemna materia stanowi około 25% wszechświata, jej natura umknęła naukowcom. Naukowcy są przekonani, że składa się z nowego typu cząstek elementarnych, a polowanie na wykrycie takich cząstek trwa. Wśród wiodących kandydatów są słabo oddziałujące masywne cząstki. Kiedy zderzają się, cząsteczki te anihilują się, oddając ciepło w zapadające się obłoki wodoru i przekształcając je w jasno świecące ciemne gwiazdy. Identyfikacja supermasywnych ciemnych gwiazd otworzyłaby możliwość poznania ciemnej materii na podstawie jej obserwowanych właściwości.
Badania zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences.
Dalsze obserwacje z JWST dotyczące właściwości spektroskopowych obiektów – w tym spadków lub nadmiaru intensywności światła w pewnych pasmach częstotliwości – mogą pomóc potwierdzić, czy te kandydujące obiekty są rzeczywiście ciemnymi gwiazdami.
Potwierdzenie istnienia ciemnych gwiazd może również pomóc w rozwiązaniu problemu stworzonego przez JWST: wydaje się, że we Wszechświecie jest zbyt wiele dużych galaktyk zbyt wcześnie, aby pasowały do przewidywań standardowego modelu kosmologii.
„Bardziej prawdopodobne jest, że coś w standardowym modelu wymaga dostrojenia, ponieważ zaproponowanie czegoś zupełnie nowego, tak jak my, jest zawsze mniej prawdopodobne” – powiedział Freese. „Ale jeśli niektóre z tych obiektów, które wyglądają jak wczesne galaktyki, są w rzeczywistości ciemnymi gwiazdami, symulacje formowania się galaktyk lepiej zgadzają się z obserwacjami”.
Trzy kandydatki na ciemne gwiazdy (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 i JADES-GS-z11-0) zostały pierwotnie zidentyfikowane jako galaktyki w grudniu 2022 r. przez JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Korzystając z analizy spektroskopowej, zespół JADES potwierdził, że obiekty były obserwowane w okresie od około 320 do 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co czyni je jednymi z najwcześniej widzianych obiektów.
„Kiedy patrzymy na dane Jamesa Webba, istnieją dwie konkurencyjne możliwości dla tych obiektów” – powiedział Freese. „Jednym z nich jest to, że są to galaktyki zawierające miliony zwykłych gwiazd III populacji. Drugi to ciemne gwiazdy. I wierzcie lub nie, jedna ciemna gwiazda ma wystarczająco dużo światła, aby konkurować z całą galaktyką gwiazd”.
Teoretycznie ciemne gwiazdy mogą urosnąć do masy kilku milionów razy większej od naszego Słońca i do 10 miliardów razy jaśniejszej od Słońca.
„W 2012 roku przewidzieliśmy, że supermasywne ciemne gwiazdy będą mogły być obserwowane za pomocą JWST” – powiedział Ilie, adiunkt fizyki i astronomii na Colgate University. „Jak pokazano w naszym niedawno opublikowanym artykule PNAS, znaleźliśmy już trzech kandydatów na supermasywne ciemne gwiazdy podczas analizy danych JWST dla czterech obiektów JADES o wysokim przesunięciu ku czerwieni, potwierdzonych spektroskopowo przez Curtis-Lake i wsp., i jestem przekonany, że wkrótce zidentyfikujemy znacznie więcej. “
Pomysł na ciemne gwiazdy zrodził się w serii rozmów między Freesem a Dougiem Spolyarem, wówczas absolwentem Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz. Zastanawiali się: co ciemna materia robi z pierwszymi gwiazdami, które powstają we wszechświecie? Następnie skontaktowali się z Paolo Gondolo, astrofizykiem z University of Utah, który dołączył do zespołu. Po kilku latach rozwoju opublikowali swój pierwszy artykuł na temat tej teorii w czasopiśmie Physical Review Letters w 2008 roku.
Freese, Spolyar i Gondolo wspólnie opracowali model, który wygląda mniej więcej tak: w centrach wczesnych protogalaktyk znajdowałyby się bardzo gęste skupiska ciemnej materii wraz z chmurami wodoru i helu. Gdy gaz ochładzał się, zapadał się i wciągał wraz z nim ciemną materię. Wraz ze wzrostem gęstości cząstki ciemnej materii będą coraz bardziej anihilować, dostarczając coraz więcej ciepła, co zapobiegnie zapadaniu się gazu aż do wystarczająco gęstego jądra, aby wspierać syntezę jądrową, jak w zwykłej gwieździe. Zamiast tego gromadziłaby więcej gazu i ciemnej materii, stając się duża, puszysta i znacznie jaśniejsza niż zwykłe gwiazdy. W przeciwieństwie do zwykłych gwiazd, źródło energii byłoby równomiernie rozłożone, a nie skoncentrowane w jądrze. Przy wystarczającej ilości ciemnej materii ciemne gwiazdy mogą urosnąć do kilku milionów mas Słońca i do 10 miliardów razy jaśniejszych od Słońca.
Finansowanie tych badań zostało zapewnione przez program Biura Fizyki Wysokich Energii Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Vetenskapsradet (Szwedzka Rada ds. Badań) w Centrum Fizyki Kosmocząstek im. Oskara Kleina na Uniwersytecie Sztokholmskim.