Stjerner drevet af mørkt stof kan være blevet set af JWST – Physics World

Stjerner drevet af mørkt stof kan være blevet set af JWST – Physics World

Tidsstempel: 1. august 2023 kl. 9

Supermassive mørke stjerner
Mørke stjerner, ikke galakser: Disse tre objekter blev oprindeligt identificeret som galakser af JWST Advanced Deep Extragalactic Survey. Nu hævder en trio af astronomer imidlertid, at de faktisk er supermassive mørke stjerner. (Med høflighed: NASA/ESA)

En trio af amerikanske astronomer har fundet overbevisende beviser for eksistensen af ​​"mørke stjerner" - hypotetiske objekter drevet af udslettelse af mørkt stof. Mørke stjerner kunne forklare den uventede overflod af gamle galakser set af James Webb Space Telescope (JWST).  Katherine Freese ved University of Texas, Austin sammen med Cosmin Ilie , Jillian Paulin ved Colgate University brugte JWST-data til at konkludere, at tre af disse galakser faktisk kan være mørke stjerner.

Mindre end to år siden dets første billeder blev frigivet, har JWST allerede ændret astronomernes forståelse af det tidlige univers. Blandt dets mest overraskende observationer har været det store antal ekstremt lyse, ældgamle galakser, som ville være dannet i områder rige på mørkt stof.

Mørkt stof er et hypotetisk stof, der påberåbes af fysikere for at forklare universets struktur i stor skala. Selvom det aldrig er blevet observeret direkte, er det en del af den nuværende standardmodel for kosmologi - lambda koldt mørkt stof-modellen (ΛCDM). Dette beskriver universets struktur og ekspansion, mens det tager højde for gravitationspåvirkningen af ​​mørkt stof.

Mørkt stof opvarmning

I 2007, blev Freese og kolleger foreslog muligheden for "mørke stjerner", hvilket kan have været almindeligt i det tidlige univers. Selvom de for det meste består af brint og helium, ville disse eksotiske stjerner blive drevet af "opvarmning af mørkt stof" snarere end kernefusion. Dette kunne involvere en type mørkt stof kaldet svagt interagerende massive partikler (WIMP'er). WIMP'er har unddraget sig opdagelse i årtier i jordbaserede detektionseksperimenter, men ifølge Freeses hold kunne den store tæthed af mørkt stof i det tidlige univers få dem til at interagere langt hyppigere med regulært stof under dannelsen af ​​nogle af de tidligste stjerner.

I det tidlige univers kunne "WIMP'er have udslettet til fotoner, elektron-positron-par og andre partikler, som kolliderede med brinten i kollapsende skyer," forklarer Freese. ”Disse partikler sætter sig derefter fast inde i skyen og afsætter al energien fra massen af ​​de mørke stofpartikler i skyen. Skyen holder derefter op med at kollapse og bliver i stedet til en 'mørk stjerne'."

Mørke stjerner er stjerner i enhver forstand, idet den enorme tyngdekraft af deres kolde, indfaldende materiale er perfekt afbalanceret af udadgående hydrostatisk tryk, genereret af energifrigørende processer i deres indre. Alligevel siger Freese, at de har flere vigtige forskelle fra almindelige stjerner.

Køl hele vejen igennem

"De har ingen kerner, i modsætning til fusionsdrevne stjerner, som har brug for høje temperaturer for at fusion kan finde sted," forklarer Freese. "Mørke stjerner er kølige overalt, også ved overfladen, så de ikke producerer ioniserende fotoner eller vinde, der ville forhindre dem i at samle masse."

Som et resultat hævder Freese og kolleger, at mørke stjerner ballonerer i størrelse til omkring 10 AU og millioner af solmasser. Dette gør det muligt for stjernerne at trække endnu flere partikler af mørkt stof ind. I processen kan en "supermassiv" mørk stjerne (SMDS) blive lys nok til at overstråle en hel galakse.

Normalt kan galakser let skelnes fra stjerner, da de optager udvidede områder af rummet, hvorimod stjerner fremstår som enkelte lyspunkter. Men på så store afstande har selv JWST ikke en høj nok opløsning til at skelne mellem stjerner og galakser. Hvis Freese og hendes kolleger har ret, tyder det på, at gamle galakser forekommer så mange i JWSTs data, fordi mange af dem er SMDS'er.

Absorptionslinjer

For at søge efter beviser for SMDS'er undersøgte trioen data fra JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). I undersøgelsen ledte de efter tegn på, at lys ved bestemte bølgelængder blev absorberet af kandidatstjerner. De var især interesserede i 1640 nm helium-II-absorptionslinjen, som ofte observeres i spektrene af varme, klare stjerner.

"En helium-II absorptionslinje ville være en rygende pistol for en mørk stjerne, da galakser ikke ville producere sådanne linjer," siger Freese. "Hvis der findes andre grundstoffer end brint og helium, så er det ikke en mørk stjerne."

Da de søgte med JADES, identificerede de adskillige objekter, der nøje matchede deres SMDS-kriterier. "Vi fandt ud af, at tre af dem passer godt til SMDS'er," fortsætter Freese. "De har de rigtige spektre, selvom opløsningen af ​​detektoren endnu ikke kan fortælle, om disse er punktobjekter eller udvidede objekter."

I fremtiden håber holdet, at JWST vil opfange SMDS-kandidater, der er blevet forstørret af gravitationslinser - hvilket kan øge opløsningen høj nok til at bekræfte, at objekterne faktisk er enkelte lyspunkter, snarere end udvidede galakser. "Hvis nogle af disse tidlige objekter er mørke stjerner i stedet for galakser, ville det hjælpe med at opretholde overensstemmelsen mellem JWSTs observationer med standardmodellen for kosmologi," siger Freese.

Oven i dette kan denne bekræftelse være et stort gennembrud i vores forståelse af mørkt stofs natur og give yderligere beviser for eksistensen af ​​WIMP'er.

Forskningen er beskrevet i Proceedings of National Academy of Sciences.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden