I en monsterstjernes lys, en antydning af mørke | Quanta Magasinet

Sidste oktober, da James Webb-rumteleskopet strålede ned af sine første lange eksponeringer af himlen nær stjernebilledet Eridanus, begyndte astronomer at sammensætte historien om et svagt, flimrende lyspunkt, der så ud til at dukke op fra universets dybeste fordybninger.

Uanset hvad det var, glimtede det for længe til at være en supernova; en enkelt stjerne var også af bordet. "Det føles som om du sandsynligvis er med i en af ​​disse CSI-film, at du er en detektiv," sagde José María Diego, en astrofysiker ved Institut for Fysik i Cantabria i Spanien, der arbejdede på at tyde signalet. "Du har mange mistænkte på bordet, og du er nødt til at eliminere [dem] en efter en."

Diego og hans kollegaer rapporterede for nylig, at den svage lysklat ser ud til at komme fra et ekstremt stjernesystem de fik tilnavnet Mothra - et par supergigantiske stjerner, der i deres storhedstid for hele 10 milliarder år siden overstrålede næsten alt andet i deres galakse.

På det tidspunkt var hele universet yngre end Jorden er nu; vores planet begyndte først at smelte sammen, efter at Mothra-fotonerne var nået halvvejs i deres kosmiske rejse til en verden, der ville udvikle et kæmpe infrarødt-følsomt rumteleskop lige i tide til at fange deres lys. Detektering af lys udsendt af individuelle stjernesystemer, som for længe siden plejede at være umuligt. Men Mothra, opkaldt efter et kaiju-monster inspireret af silkemøl, er blot den seneste i en række af de ældste nogensinde, længst nogensinde, bare generelt superlative stjernesystemer, som astronomer har fundet i billeder fra JWST og Hubble-rumteleskopet. Og i en drejning, mens Mothra og dets dyriske brødre er spændende astrofysiske objekter i deres egen ret, er det, der ophidser Diego mest, at monsterstjernernes lys synes at afsløre en helt anden klasse af objekter, der svæver mellem den og Jorden: en ellers usynlig en klump af mørkt stof, som han og hans kolleger har beregnet, vejer mellem 10,000 og 2.5 millioner gange solens masse.

Hvis et sådant objekt virkelig eksisterer - en foreløbig konklusion for nu - kan det hjælpe fysikere med at indsnævre deres teorier om mørkt stof og måske, bare måske, løse mysteriet om universets uforklarlige masse.

Fra 2023 er laboratoriebestræbelserne på at trawle efter individuelle mørkt stofpartikler blevet tomme, hvilket efterlader nogle astrofysikere med den dystre pragmatiske mistanke om, at den eneste måde, mennesker kan sætte skydemærker på det mystiske stof på, kan være at studere dets gravitationsvirkninger på det bredere univers. Så Diegos team og andre leder efter de spøgelsesagtige konturer af mørke objekter i kosmos. De håber at identificere de mindste klumper af mørkt stof, der findes - hvilket igen afhænger af den grundlæggende fysik af selve den mørke stofpartikel. Men klumper af rent mørkt stof præsenterer sig ikke kun for astronomer; hold bruger observationstricks til at lokke sådanne skygger fra skygger. Nu fokuserer astronomer på kosmiske fænomener lige fra rumforvridende gravitationslinser - den slags usynlige, mørkt stofdominerede forstørrelsesglas, der afslørede Mothra - til flagrende, båndlignende strømme af stjerner meget tættere på hjemmet. Indtil videre har disse bestræbelser udelukket mange varianter af et populært sæt modeller kaldet "varmt mørkt stof".

"Du kan ikke røre mørkt stof," sagde Anna Nierenberg, en astrofysiker ved University of California, Merced, som leder efter mørke interstellare klatter med JWST. Men at finde små strukturer lavet af det? "Det er så tæt på, som du ville komme."

Halo, Halo, Halo

Det lille, vi ved om mørkt stof, findes i vage, slørede konturer. Årtiers beviser har antydet, at enten teorier om tyngdekraft er ufuldstændige, eller, som astrofysikere mere almindeligt hævder, at en mørk stofpartikel hjemsøger universet. I en klassisk observation syntes stjerner at race rundt i udkanten af ​​galakser, som om de blev holdt i et langt stærkere gravitationsgreb, end synligt stof antyder. Ved at måle disse stjerners bevægelser og anvende andre teknikker, der identificerer områder i rummet med ekstra tyngde, kan astronomer visualisere, hvordan universets mørke stof er fordelt på større skalaer.

"Hvis vi havde briller med mørkt stof," sagde Nierenberg, omkring hver galakse ville vi sandsynligvis se "en stor, sløret, udvidet, vandmelonformet struktur, der er meget større end selve galaksen." For vores egen Mælkevej vurderer astronomer, at denne diffuse, mørke kokon - kaldet en halo - vejer omkring en billion solmasser og er mere end 10 gange bredere end galaksens spiralskive af stjerner.

Zoom ind til mindre skalaer, og den videnskabelige sikkerhed bryder sammen. Er Mælkevejens mørke stof-glorie en glat skitse? Eller er det arrangeret i klumper, kaldet sub-haloer? Og hvis ja, hvilke størrelser er disse klumper?

Svarene kunne give videnskabsmænd mulighed for at identificere mørkt stofs sande natur. Modeller af, hvordan universet udviklede sin nuværende struktur - et kosmisk net, vævet af perleskinnende galakser - forudsiger, at mørkt stofpartikler, uanset hvad de er, samles i små, gravitationsbundne klumper i løbet af de første par hundrede tusinde år efter Big Bang. Mange af disse klumper smeltede sammen og trak til sidst synligt stof ind. De voksede til frø af galakser. Men nogle af de mindste mørke glorier, der ikke smeltede sammen, burde stadig eksistere som "rester af strukturdannelse i det tidlige univers," sagde Ethan Nadler, en astrofysiker ved Carnegie Observatories og University of Southern California. "Lidt som en tidsmaskine."

At finde og veje disse relikvieklumper ville hjælpe fysikere med at stramme deres greb om mørkt stofs grundlæggende fysik - inklusive den mystiske partikels masse og dens "temperatur", et noget misvisende udtryk, der beskriver den hastighed, hvormed skyer af individuelle partikler glider rundt.

En af de førende mistænkte i mysteriet om mørkt stof er koldt mørkt stof, en klasse af modeller, hvor synderne er relativt tunge og træge partikler; et eksempel er en svagt interagerende massiv partikel eller WIMP. Hvis disse teorier er rigtige, ville sådanne partikler let have sat sig i selvgraviterende klumper i det tidlige univers, hvoraf nogle kunne have været så små som en jordmasse. I dag burde disse dvælende mini-haloer af mørkt stof stadig være på drift i og omkring den større kollektive glorie af galakser som Mælkevejen.

Men hvis lysere mørkt stof-partikler vandrede hurtigere gennem det tidlige kosmos, som en konkurrerende klasse af "varme" mørkt stof-modeller antyder, kunne der kun være dannet større klumper med en kraftigere tyngdekraft. Disse modeller antyder, at der er en afskæring for mørkt stofstrukturer, en minimumsmasse, under hvilken glorier ikke eksisterer. Så hver gang nogen opdager en ny, mindst kendt mørk glorie (som den påståede mellem Jorden og Mothra), er teoretikere tvunget til at udelukke gradvist køligere scenarier.

En anden populær klasse af modeller, kaldet fuzzy dark matter, antager blot en hvisken af ​​en mørkt stof partikel - måske 10²⁸ gange lettere end en elektron. Hypotetiske partikler kaldet axioner, for eksempel, kunne være i dette størrelsesområde og også relativt kolde. Disse fjervægte ville opføre sig mere som bølger end partikler, der risler hen over galakser. Som varmt mørkt stof ville denne bølgelignende inkarnation ikke danne gravitationsbundne klumper på masseskalaer, der er mindre end galakser. Men ultralet mørkt stof ville have en anden forklaring. Når bølger af sløret mørkt stof slår mod hinanden i en glorie, kan de danne mindre interferensmønstre kaldet granula - kornagtige områder, hvor tætheden af ​​mørkt stof er højere - som ville give deres egen målbare gravitationssignatur.

At udelukke nogle af disse teorier kræver at finde - eller iøjnefaldende ikke at finde - glorier af mørkt stof med lavere og lavere masse. Søgningen startede med at identificere de mest diminutive glorier, der er kendt for at svøbe dværggalakser, mørkt stofklumper, der stadig vejer hundredvis af millioner af solmasser, og det arbejder sig nu ind i det ukendte. Problemet er dog, at disse hypotetiske små mørke glorier sandsynligvis mangler den gravitationskraft, der er nødvendig for at tiltrække regulært stof og antænde stjerner. De kan ikke ses direkte - de er lidt mere end tunge skygger. "Jagten har været i gang efter beviser," sagde Matthew Walker, en astrofysiker ved Carnegie Mellon University. "Det er bare svært at finde."

Lektioner fra linser

Dagens mest avancerede søgninger efter små, mørke sub-halos piggyback på et næsten mirakuløst fænomen: gravitationslinser. Forudsagt af Einstein er gravitationslinser områder med forvredet rumtid, der omgiver et massivt objekt. Objektets gravitationsfelt - linsen - forvrænger og fokuserer baggrundslyset på nogenlunde samme måde, som et forstørrelsesglas kan forstørre billedet af en myre eller koncentrere sollys nok til at tænde en ild.

Hver linsejustering involverer en lyskilde, der skinner fra universets fjerne kyster, og selve linsen. Ofte er disse linser massive galakser eller galaksehobe, der forvrider rum-tid og tilfældigvis er justeret, ved et kosmisk tilfælde, mellem den fjerne kilde og Jorden. Objektiver producerer en række optiske effekter, fra lysbuer til flere kopier af den samme baggrundskilde til stærkt forstørrede billeder af objekter, som ellers ville være alt for langt væk til at se.

Det var kun ved at fiske gennem det linsede kosmos, at astronomer i 2017 fotograferede Icarus, en stjerne, der brændte klart for omkring 9 milliarder år siden. For nylig fandt de den næsten 13 milliarder år gamle Earendel, den nuværende rekordholder for den ældste stjerne, som kaster så meget lys af sig selv som 1 million sole. De så også Godzilla, en monstrøst energisk fjern stjerne gennemgår et eksplosivt udbrud, og Godzillas medmonster Mothra, som ser ud til at være en lignende type variabelt objekt. ("Og ja, vi har det sjovt med det her," sagde Diego om hans teams navngivningsproces.)

Men gravitationslinser er ikke kun portaler til den anden side af universet. Mørkt stofjægere har længe anset linserne for mindst lige så interessante som det, de forstørrer. De præcise måder, hvorpå linsen forvrider og forvrænger baggrundsbilledet, svarer til, hvordan massen er fordelt i og omkring linsegalaksen eller -hoben. Hvis mørkt stof eksisterer i små stjerneløse klumper inden for det kendte mønster af glorier i galaksestørrelse - ja, så burde astronomer også kunne se lys bøje sig omkring disse klumper.

De mindste mørke glorier, der er opdaget med denne metode, konkurrerer allerede med de mindste glorier målt omkring dværggalakser. I 2020 brugte et hold inklusive Nierenberg Hubble-rumteleskopet og Keck-observatoriet i Hawai'i til at se på forstørrede billeder af kvasarer - flammende lysfyr, der udsendes af stof, der falder ned i sorte huller - og fundet beviser for mørke glorier så små som hundreder af millioner af solmasser. Det er den samme grove halostørrelse forbundet med de mindste galakser, et niveau af statistisk overensstemmelse, som Nadler i et studie udgivet året efter, brugt til at udelukke modeller af varmt mørkt stof bestående af partikler, der er lettere end omkring 1/50 af en elektron, hvor sådanne diminutive klumper aldrig kunne dannes.

I år brugte to hold i mellemtiden linsede kvasarer til at lede efter korn af uklare, fjervægtige mørkt stofpartikler - korn, der ville dannes gennem en proces, der ligner den, der får krusninger til at dukke op på overfladen af ​​en swimmingpool, ifølge førsteforfatteren af en af ​​disse undersøgelser, Devon Powell fra Max Planck Institute for Astrophysics. "Du får denne meget kaotiske, klumpede fordeling af sagen," sagde han. "Det er bare bølgeinterferens."

Hans teams analyse, offentliggjort i juni i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society, fandt ikke beviser for bølgelignende mørkt stof-effekter i højopløselige billeder af lysbuer fra én gravitationslinse, hvilket tyder på, at den mørke partikel skal være tungere end de mindste fuzzy kandidater. Men et aprilstudie i Naturstronomi, ledet af Alfred Amruth fra University of Hong Kong, så på fire linsekopier af en baggrundskvasar og kom til den modsatte konklusion: En linse lavet af fuzzy mørkt stof, hævdede de, bedre forklaret små udsving i deres data. (Modstridende resultater ville ikke være helt overraskende, da de forventede signaler er subtile, og den eksperimentelle tilgang er ny, fortæller eksperter uden for begge hold Quanta.)

Nierenberg og hendes kolleger har i mellemtiden brugt det sidste år på at bruge JWST til at observere gravitationslinser, der forstørrer kvasarer, med det foreløbige mål at udgive deres første analyse i september. I teorien beregner de, at JWSTs evne til at afdække småskalastruktur i linser skulle afsløre, om mørke glorier eksisterer som fuldstændigt usynlige, stjerneløse klumper med et størrelsesområde på titusinder af millioner af solmasser. Hvis det er tilfældet, ville disse glorier pålægge den stærkeste begrænsning endnu for, hvor "varmt" mørkt stof kan være.

Denne endnu nyere metode til at se på ekstreme, fjerne stjerner som Mothra gennem gravitationslinser kan snart bevæge sig fra at identificere enkeltstående kuriositeter til at blive en fast del af astronomi i JWST-æraen. Hvis Diego og hans kolleger har ret, og de kan se Mothra, fordi den bliver linset af en klump af mørkt stof, der vejer mindre end et par millioner solmasser, ville denne observation alene udelukke et bredt udvalg af modeller af varmt mørkt stof. Men det ville stadig understøtte både koldt og fuzzy mørkt stof, selvom det i sidstnævnte tilfælde - hvor den ekstra forstørrelse af Mothra kommer fra et tæt granulat af mørkt stof i stedet for en gravitationsbundet klump - stadig ville tvinge fuzzy mørkt stof ind i et snævert område af mulige masser.

Astronomer afdækker mange flere linsestjerner med Hubble og JWST, sagde Diego og holder øje med andre unormale optiske forvrængninger, der kunne komme fra stjernelys, der bøjer sig rundt om små mørke objekter. "Vi er lige begyndt at ridse overfladen," sagde han. "Jeg holder ikke meget ferie i disse dage."

Mørke øer i en strøm af stjerner

Andre søgninger efter små glorier af mørkt stof er fokuseret på meget tættere stjerner - dem i streamers nær Mælkevejen og binære stjerner i nærliggende dværggalakser. I 2018, Ana Bonaca, der nu er astrofysiker ved Carnegie Observatories, løb for at downloade data fra Den Europæiske Rumorganisations Gaia-rumfartøj, som måler bevægelserne af næsten 2 milliarder stjerner i Mælkevejen. Bonaca sorterede gennem disse indledende observationer og isolerede informationen fra stjerner, der tilhører en struktur kaldet GD-1. Det hun så var "umiddelbart super spændende," sagde hun. "Vi skyndte os at skrive en opgave i den næste uge eller deromkring."

GD-1 er en stjernestrøm, en løs perlerække af Mælkevejsstjerner, der - hvis du kunne udvælge den med det blotte øje - ville strække sig mere end halvvejs hen over nattehimlen. Disse stjerner blev kastet ud af en kugleformet stjernehob for længe siden; de kredser nu om Mælkevejen på hver side af denne hob, og vipper bag og foran dens vej som bøjer, der markerer en interstellar kanal.

I deres analyse af GD-1, fandt Bonacas team det teoretiske fingeraftryk af en sammenfaldende stykke mørkt stof. Specifikt virkede en del af GD-1 delt i to, som om et massivt usynligt objekt var gået glip af sporet og trukket stjerner i kølvandet. Det forbipasserende objekt, beregnede de, kan have været en mørk stof-sub-halo, der vejede et par millioner solmasser - hvilket også gør den til en udfordrer til den mindste formodede mørkstofklump og en potentiel trussel mod de mere toastede varianter af varmt mørkt stof .

Men hvordan konverterer man et enkelt fund til noget mere statistisk? Nu, sagde Bonaca, har astronomer skildret omkring 100 stjernestrømme. Mens kun en håndfuld er blevet undersøgt i detaljer, har hver af dem, der er blevet undersøgt, sine egne usædvanlige knæk og bøjninger, der kan komme fra gravitationsmøder med lignende små, mørke objekter. Men observationerne er endnu ikke afgørende.

"Jeg tror, ​​at den bedste vej frem er at analysere strømme samtidigt," sagde hun, "for at forstå, hvor meget af [disse usædvanlige træk] der kommer fra mørkt stof."

På endnu mindre skalaer har Walker, hos Carnegie Mellon, brugt det sidste år på at scanne JWST-observationer af dværggalakser på jagt efter de mest skrøbelige stjernesystemer, han kan finde: binære stjerner, der er meget langt fra hinanden og holdt sammen i en løs tyngdekraft. Hvis små mørke glorier - den slags objekter, som koldt mørkt stof modeller siger burde være rigeligt - konstant passerer forbi og udøver tyngdekraft på deres omgivelser, burde disse meget brede binære filer ikke eksistere. Men hvis brede binære filer dukker op, tyder det på, at der ikke er små mørke glorier til stede - og slår et kropsslag mod de mange modeller af koldt mørkt stof, der forudsiger dem.

"Det er, hvad jeg kalder en anti-søgning efter subgalaktiske mørkt stof-haloer," sagde Walker.

Bevæger sig i væggene

Jagten på kosmiske skygger er stadig en lille del af en større bestræbelse på at finde frem til noget, der hidtil har snoet sig uden for rækkevidde. Jordbaserede eksperimenter designet til at fange partikler, der ville passe til de uklare, varme og kolde mørkt stof-paradigmer, starter; hold leder stadig efter andre kendetegn for mørkt stofs fysik, fra biprodukter produceret, hvis og når partiklerne interagerer med normalt stof, til det subtile spørgsmål om, hvordan mørkt stofs tæthed stiger og falder inden for mørke haloer, hvilket afhænger af hvordan de mørke partikler interagerer med hinanden.

Tracy Slatyer, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology, visualiserer mysteriet med mørkt stof som en stor kasse fuld af utallige muligheder, men kun med ét rigtigt svar. I denne analogi er hendes strategi at skære dybt ind i den boks med specifikke, modbeviselige ideer om egenskaberne af mørkt stof partikler. Siderne af kassen repræsenterer dog de eneste sande begrænsende fakta, astronomer kan give, såsom øvre grænser for, hvor varmt mørkt stof kan være, og nedre grænser for, hvor fuzzy - eller let - det kan være.

Hvis astronomer med sikkerhed kunne opdage fuldstændig mørke kosmiske objekter i en million-solmasse-rækkevidde, ville det være en "observationstour de force," sagde Slatyer. "Det ville være utroligt." Væggene i hendes boks ville bevæge sig indad, hvilket mindskede pladsen til rådighed for muligheder.

Kommende teknologi kan snart forvandle disse forskellige søgninger fra tidlige stik i mørket til dybere indtog i de skyggefulde strukturer, der omkranser universet. JWST vil uddybe sit studie af gravitationslinser i de kommende år; Nierenbergs gruppe er for eksempel begyndt med otte sådanne systemer, men planlægger i sidste ende at analysere 31 af dem. Når det opsendes i 2027, skulle Nancy Grace Roman Space Telescope, et observatorium i Hubble-kvalitet med et meget bredere synsfelt, gøre det meget lettere at panorere gennem dværggalakser, som Walker gør. Vera C. Rubin-observatoriet, opkaldt efter den banebrydende astronom, hvis observationer tvang forskere til at tage mysteriet med mørkt stof alvorligt i første omgang, vil afsløre flere detaljer om stjernestrømme, når det begynder at observere fra Chile i 2024. Sammen vil de to observatorier skulle vise tusindvis af nye gravitationslinser, der kan gennemsøges for mørke understrukturer.

Indtil videre har ingen af ​​observationerne væltet de populære modeller af koldt mørkt stof, som forudsiger, at universet er fyldt med mindre og mindre klumper af stoffet. Mens astronomer fortsætter det opslidende arbejde med at finde disse klumper, håber mange teoretikere og eksperimenter, at et partikelfysisk eksperiment på Jorden vil skære til mysteriets hjerte meget hurtigere. Men at afdække disse isolerede lommer af mørke - og enhver indviklet fysik, der ledsager dem - er som at "få et renere laboratorium," sagde Slatyer. "Vi er i en spændende tid."