Dodano: 18 lipiec 2023r.

Teleskop Webba zidentyfikował trzy kandydatki na ciemne gwiazdy

Wykorzystując dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, zespół astrofizyków zidentyfikował trzy kandydatki na tzw. ciemne gwiazdy. Istnienie tego typu obiektów zostało zaproponowane kilkanaście lat temu. Zgodnie z koncepcją, źródłem ich energii nie byłaby fuzja jądrowa, jak w przypadku znanych nam gwiazd, a ciemna materia.

Teleskop Webba zidentyfikował trzy kandydatki na ciemne gwiazdy

 

W 2007 roku Katherine Freese wraz z Douglasem Spolyarem i Paolo Gondolo zaproponowali ideę ciemnych gwiazd, które zamiast syntezy jądrowej pozyskiwałyby energię z ciemnej materii. Według autorów hipotezy, obiekty te byłyby znacznie większe i jaśniejsze od naszego Słońca, a źródłem ich energii byłyby anihilujące cząstki ciemnej materii.

Od tego czasu naukowcy kontynuowali badania i budowali modele, aby pokazać, jak mogą wyglądać. W wyniku prac powstała lista cech, które taka gwiazda mogłaby mieć. Teraz, dzięki danym z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba udało się zidentyfikować trzy kandydatki na proponowane obiekty. Jeśli obserwacje te zostaną potwierdzone, ciemne gwiazdy mogą ujawnić naturę ciemnej materii, jednego z najgłębszych nierozwiązanych problemów w astrofizyce.

Wyniki obserwacji ukazały się na łamach pisma „Proceedings of the National Academy of Sciences” (DOI: 10.1073/pnas.2305762120).

Ciemna materia

Ciemna materia to hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne. W ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach. Widzialnej materii jest zbyt mało, aby można było wytłumaczyć zachodzące w tych przypadkach efekty. Modele wskazują, że ciemnej materii jest kilkakrotnie więcej, niż materii zwykłej. Mimo lat poszukiwań jej istnienie nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest dokładna natura ciemnej materii i co ją tworzy.

Zarówno obserwacje, jak i modele kosmologiczne sugerują, że tylko ok. 5 proc. masy i energii zawartej we Wszechświecie to materia barionowa, czyli ta zwykła, znana nam materia. Reszta to nieznane nam jeszcze składniki stanowiące ciemną materię oraz ciemną energię, która też jest hipotetyczną formą energii.

Tajemnicze ciemne gwiazdy

Za identyfikacją potencjalnych ciemnych gwiazd stoi trio amerykańskich naukowców. Wśród nich jest Katherine Freese z University of Texas w Austin, współautorka koncepcji. Pomagali jej Cosmin Ilie i Jillian Paulin z Colgate University. Zespół znalazł w danych z teleskopu Webba trzy obiekty pasujące do wcześniej opisanych cech ciemnych gwiazd. To galaktyki sklasyfikowane jako JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 i JADES-GS-z11-0.

Ciemne gwiazdy, jak sugeruje zespół, mogły narodzić się we wczesnym okresie istnienia Wszechświata. Podobnie jak inne gwiazdy, miałyby być zbudowane głównie z helu i wodoru, ale zawierałyby również ciemną materię. Takie gwiazdy czerpałyby energię nie z zachodzących w jądrze reakcji termojądrowych, a z anihilacji cząstek ciemnej materii. Obiekty te, według hipotezy, byłyby znacznie większe niż inne obserwowane typy gwiazd. Wydawałyby się tak duże, że mogłyby wyglądać jak galaktyki z teleskopów naziemnych.

Trzy kandydatki odpowiadają cechom opisanym dla ciemnych gwiazd. Nie pasują też do teorii opisującej tradycyjne galaktyki, co według autorów, dodaje wiarygodności ich koncepcji. Obserwacje wyjaśniałyby również, dlaczego wcześniej nie obserwowano ciemnych gwiazd - bo astronomom brakowało narzędzi niezbędnych do cofnięcia się wystarczająco daleko w czasie, aż do ery teleskopu Jamesa Webba.

- Odkrycie nowego typu gwiazdy samo w sobie jest dość interesujące, ale odkrycie, że to ciemna materia jest siłą, która je napędza byłoby ogromnym osiągnięciem – powiedział Freese.

Anihilacja cząstek ciemne materii

Uważa się, że ciemna materia stanowi około 25 proc. bilansu masy-energii Wszechświata. Naukowcy są przekonani, że składa się z nieznanego typu cząstek elementarnych. Wśród wiodących kandydatów są słabo oddziałujące masywne cząstki, które podczas zderzeń anihilują, oddając ciepło w zapadające się pod wpływem masy obłoki wodoru i przekształcając je w jasno świecące ciemne gwiazdy.

Dalsze obserwacje wykonane przez JWST dotyczące właściwości spektroskopowych obiektów – w tym spadków lub nadmiaru natężenia światła w pewnych pasmach częstotliwości – mogą pomóc potwierdzić, czy te kandydujące obiekty są rzeczywiście ciemnymi gwiazdami.

Identyfikacja supermasywnych ciemnych gwiazd otworzyłaby możliwość poznania ciemnej materii na podstawie jej obserwowanych właściwości. Potwierdzenie istnienia tych obiektów może również pomóc w rozwiązaniu problemu zaobserwowanego przez JWST. Wydaje się, że we Wszechświecie jest zbyt wiele dużych galaktyk na zbyt wczesnym etapie ewolucji kosmosu, a to nie pasuje do przewidywań standardowego modelu kosmologii.

- Bardziej prawdopodobne jest, że coś w standardowym modelu wymaga dostrojenia, ponieważ zaproponowanie czegoś zupełnie nowego, tak jak w naszym przypadku, jest zawsze mniej prawdopodobne. Ale jeśli niektóre z tych obiektów wyglądających jak wczesne galaktyki, są w rzeczywistości ciemnymi gwiazdami, symulacje formowania się galaktyk lepiej zgadzają się z obserwacjami – powiedziała Freese.

Trzy kandydatki

Kandydujące do roli ciemnych gwiazd obiekty zostały pierwotnie zidentyfikowane jako galaktyki w grudniu 2022 r. Korzystając z analizy spektroskopowej, naukowcy potwierdzili, że obiekty były obserwowane w okresie od około 320 do 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

- Kiedy patrzymy na dane z teleskopu Webba, istnieją dwie konkurencyjne możliwości dla tych obiektów. Jedną z nich jest to, że są to galaktyki zawierające miliony zwykłych gwiazd III populacji. Drugą, że są to ciemne gwiazdy. I wierzcie lub nie, ale jedna ciemna gwiazda ma dość światła, by konkurować z całą galaktyką gwiazd – podkreśliła Freese.

Teoretycznie ciemne gwiazdy mogą urosnąć do masy kilku milionów razy większej i świecić do 10 miliardów razy jaśniejszej od naszego Słońca.

- W 2012 roku przewidzieliśmy, że supermasywne ciemne gwiazdy będą mogły być obserwowane za pomocą JWST. Znaleźliśmy już trzy kandydatki na te obiekty podczas analizy danych JWST dla czterech obiektów JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey – przyp. red.) o wysokim przesunięciu ku czerwieni i jestem przekonany, że wkrótce zidentyfikujemy znacznie więcej - powiedział Ilie z Colgate University.

 

Źródło: University of Texas at Austin, Science X Network, fot. NASA/ESA