In a Monster Star's Light, a Hint of Darkness | Περιοδικό Quanta

Τον περασμένο Οκτώβριο, καθώς το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb ακτινοβολούσε τις πρώτες μεγάλες εκθέσεις του στον ουρανό κοντά στον αστερισμό του Ηριδανού, οι αστρονόμοι άρχισαν να συνθέτουν την ιστορία ενός αμυδρού σημείου φωτός που τρεμοπαίζει που φαινόταν να αναδύεται από τις βαθύτερες εσοχές του σύμπαντος.

Ό,τι κι αν ήταν, άστραψε για πάρα πολύ καιρό για να είναι σουπερνόβα. ένα μόνο αστέρι, επίσης, ήταν από το τραπέζι. "Νιώθεις σαν να είσαι πιθανώς σε μια από αυτές τις ταινίες CSI, ότι είσαι ντετέκτιβ", είπε Χοσέ Μαρία Ντιέγκο, αστροφυσικός στο Ινστιτούτο Φυσικής της Κανταβρίας στην Ισπανία που εργάστηκε για να αποκρυπτογραφήσει το σήμα. «Έχετε πολλούς υπόπτους στο τραπέζι και πρέπει να τους εξαφανίσετε έναν προς έναν».

Ο Ντιέγκο και οι συνεργάτες του ανέφεραν πρόσφατα ότι φαίνεται να προέρχεται η αχνή μουτζούρα φωτός ένα ακραίο αστρικό σύστημα έδωσαν το παρατσούκλι Mothra — ένα ζευγάρι υπεργιγάντων αστεριών που, στην ακμή τους, πριν από 10 δισεκατομμύρια χρόνια, ξεπέρασαν σχεδόν οτιδήποτε άλλο στον γαλαξία τους.

Εκείνη την εποχή, ολόκληρο το σύμπαν ήταν νεότερο από ό,τι είναι τώρα η Γη. Ο πλανήτης μας άρχισε να συγχωνεύεται μόνο αφού τα φωτόνια Mothra είχαν φτάσει στα μισά του δρόμου στο κοσμικό τους ταξίδι σε έναν κόσμο που θα ανέπτυξε ένα γιγάντιο διαστημικό τηλεσκόπιο ευαίσθητο στο υπέρυθρο ακριβώς την ώρα που θα πιάσει το φως τους. Η ανίχνευση του φωτός που εκπέμπεται από μεμονωμένα αστρικά συστήματα, που πριν από πολύ καιρό ήταν αδύνατο. Αλλά το Mothra, που πήρε το όνομά του από ένα τέρας kaiju εμπνευσμένο από μεταξωτούς σκόρους, είναι απλώς το τελευταίο σε μια πρόσφατη σειρά παλαιότερων, πιο απομακρυσμένων, απλά γενικά υπερθετικών συστημάτων αστρικών συστημάτων που έχουν βρει οι αστρονόμοι σε εικόνες από το JWST και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Και σε μια ανατροπή, ενώ η Mothra και τα θηριώδη αδέρφια της είναι από μόνα τους ενδιαφέροντα αστροφυσικά αντικείμενα, αυτό που ενθουσιάζει περισσότερο τον Ντιέγκο είναι ότι το φως των αστεριών των τεράτων φαίνεται να αποκαλύπτει μια πολύ διαφορετική κατηγορία αντικειμένου που επιπλέει μεταξύ αυτού και της Γης: ένα κατά τα άλλα αόρατο Η μάζα σκοτεινής ύλης που υπολόγισε ο ίδιος και οι συνάδελφοί του ζυγίζει μεταξύ 10,000 και 2.5 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.

Εάν ένα τέτοιο αντικείμενο υπάρχει πραγματικά - ένα προκαταρκτικό συμπέρασμα προς το παρόν - θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να περιορίσουν τις θεωρίες τους για τη σκοτεινή ύλη και ίσως, απλώς, να λύσουν το μυστήριο της ανεξήγητης μάζας του σύμπαντος.

Από το 2023, οι εργαστηριακές προσπάθειες για τράτα για μεμονωμένα σωματίδια σκοτεινής ύλης έχουν βγει κενές, αφήνοντας ορισμένους αστροφυσικούς με τη ζοφερή ρεαλιστική υποψία ότι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι άνθρωποι μπορούν να βάλουν δαγκάνες στη μυστηριώδη ουσία είναι να μελετήσουν τις βαρυτικές της επιπτώσεις στο ευρύτερο σύμπαν. Έτσι, η ομάδα του Ντιέγκο και άλλοι αναζητούν τα φανταστικά περιγράμματα των σκοτεινών αντικειμένων στον κόσμο. Ελπίζουν να εντοπίσουν τις μικρότερες συστάδες σκοτεινής ύλης που υπάρχουν - οι οποίες με τη σειρά τους εξαρτώνται από τη βασική φυσική του ίδιου του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης. Αλλά οι σβώλοι καθαρής σκοτεινής ύλης δεν παρουσιάζονται μόνο στους αστρονόμους. Οι ομάδες χρησιμοποιούν παρατηρητικά τεχνάσματα για να εξαπατήσουν τέτοιες σκιές από τις σκιές. Τώρα οι αστρονόμοι εστιάζουν σε κοσμικά φαινόμενα που κυμαίνονται από βαρυτικούς φακούς που παραμορφώνουν το διάστημα - το είδος του αόρατου μεγεθυντικού φακού που κυριαρχείται από τη σκοτεινή ύλη που αποκάλυψε το Mothra - έως τα κυματιστά, κορδελοειδή ρεύματα αστεριών πολύ πιο κοντά στο σπίτι. Μέχρι στιγμής, αυτές οι προσπάθειες έχουν αποκλείσει πολλές παραλλαγές ενός δημοφιλούς συνόλου μοντέλων που ονομάζεται «θερμή σκοτεινή ύλη».

«Δεν μπορείς να αγγίξεις τη σκοτεινή ύλη», είπε Άννα Νίρενμπεργκ, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Merced που ψάχνει για σκοτεινές διαστρικές σταγόνες με το JWST. Αλλά βρίσκοντας μικρές κατασκευές φτιαγμένες από αυτό; «Είναι τόσο κοντά όσο θα έφτανες».

Halo, Halo, Halo

Όσα λίγα γνωρίζουμε για τη σκοτεινή ύλη υπάρχουν σε ασαφή, θολά περιγράμματα. Τα στοιχεία πολλών δεκαετιών έχουν δείξει ότι είτε οι θεωρίες της βαρύτητας είναι ελλιπείς, είτε, όπως υποστηρίζουν πιο συχνά οι αστροφυσικοί, ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης στοιχειώνει το σύμπαν. Σε μια κλασική παρατήρηση, τα αστέρια έμοιαζαν να τρέχουν γύρω από τα περίχωρα των γαλαξιών σαν να κρατούνταν σε μια πολύ ισχυρότερη βαρυτική λαβή από ό,τι υποδηλώνει η ορατή ύλη. Μετρώντας τις κινήσεις αυτών των άστρων και εφαρμόζοντας άλλες τεχνικές που προσδιορίζουν περιοχές του διαστήματος με επιπλέον βάρος, οι αστρονόμοι μπορούν να οραματιστούν πώς η σκοτεινή ύλη του σύμπαντος κατανέμεται σε μεγαλύτερες κλίμακες.

«Αν είχαμε γυαλιά σκοτεινής ύλης», είπε ο Nierenberg, γύρω από κάθε γαλαξία πιθανότατα θα βλέπαμε «μια μεγάλη, ασαφή, εκτεταμένη δομή σε σχήμα καρπουζιού που είναι πολύ μεγαλύτερη από τον ίδιο τον γαλαξία». Για τον δικό μας Γαλαξία, οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι αυτό το διάχυτο, σκοτεινό κουκούλι - που ονομάζεται φωτοστέφανο - ζυγίζει περίπου ένα τρισεκατομμύριο ηλιακές μάζες και είναι περισσότερο από 10 φορές ευρύτερο από τον σπειροειδή δίσκο των άστρων του γαλαξία.

Μεγέθυνση σε μικρότερες κλίμακες, όμως, και η επιστημονική βεβαιότητα καταρρέει. Είναι το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης του Γαλαξία μας ένα ομαλό δόγμα; Ή είναι διατεταγμένο σε συστάδες, που ονομάζονται υποφωτοστέφανοι; Και αν ναι, τι μεγέθη είναι αυτές οι συστάδες;

Οι απαντήσεις θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους επιστήμονες να προσδιορίσουν την πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης. Μοντέλα για το πώς το σύμπαν εξέλιξε την τρέχουσα δομή του -ένας κοσμικός ιστός, υφανμένος από μαργαριταρένιες χορδές γαλαξιών- προβλέπουν ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, όποια κι αν είναι, συγκεντρώθηκαν σε μικρές, βαρυτικά δεσμευμένες συστάδες κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων χιλιάδων ετών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πολλές από αυτές τις συστάδες συγχωνεύτηκαν και τελικά τράβηξαν την ορατή ύλη. Αυτά μεγάλωσαν στους σπόρους των γαλαξιών. Αλλά μερικά από τα μικρότερα σκοτεινά φωτοστέφανα που δεν συγχωνεύτηκαν θα πρέπει να εξακολουθούν να υπάρχουν ως «απομεινάρια σχηματισμού δομών στο πρώιμο σύμπαν», είπε. Ίθαν Νάντλερ, αστροφυσικός στο Carnegie Observatories και στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια. «Σαν χρονομηχανή».

Η εύρεση και η ζύγιση αυτών των συστάδων λειψάνων θα βοηθούσε τους φυσικούς να σφίξουν τη βασική φυσική της σκοτεινής ύλης - συμπεριλαμβανομένης της μάζας του μυστηριώδους σωματιδίου και της «θερμοκρασίας» του, ένας κάπως παραπλανητικός όρος που περιγράφει την ταχύτητα με την οποία τα σύννεφα μεμονωμένων σωματιδίων σχηματίζουν φερμουάρ.

Ένας από τους κύριους ύποπτους στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης είναι η ψυχρή σκοτεινή ύλη, μια κατηγορία μοντέλων στα οποία οι ένοχοι είναι σχετικά βαριά και αργά σωματίδια. ένα παράδειγμα είναι ένα ασθενώς αλληλεπιδρούν μαζικό σωματίδιο, ή WIMP. Εάν αυτές οι θεωρίες είναι σωστές, τέτοια σωματίδια θα είχαν εύκολα εγκατασταθεί σε συστάδες αυτο-βαρύτητας στο πρώιμο σύμπαν, μερικά από τα οποία μπορεί να ήταν τόσο μικρά όσο μια γήινη μάζα. Σήμερα, αυτά τα παρατεταμένα μίνι φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης θα πρέπει ακόμα να βρίσκονται μέσα και γύρω από το μεγαλύτερο συλλογικό φωτοστέφανο των γαλαξιών όπως ο Γαλαξίας.

Αλλά αν ελαφρύτερα σωματίδια σκοτεινής ύλης διέσχιζαν τον πρώιμο κόσμο γρηγορότερα, όπως προτείνει μια ανταγωνιστική κατηγορία μοντέλων «θερμής» σκοτεινής ύλης, θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί μόνο μεγαλύτερες συστάδες με μεγαλύτερη βαρυτική έλξη. Αυτά τα μοντέλα υποδηλώνουν ότι υπάρχει ένα όριο για τις δομές της σκοτεινής ύλης, μια ελάχιστη μάζα κάτω από την οποία δεν υπάρχουν φωτοστέφανα. Έτσι, κάθε φορά που κάποιος ανακαλύπτει ένα νέο, μικρότερο γνωστό σκοτεινό φωτοστέφανο (όπως το υποτιθέμενο μεταξύ Γης και Mothra), οι θεωρητικοί αναγκάζονται να αποκλείσουν σταδιακά πιο ψυχρά σενάρια.

Μια άλλη δημοφιλής κατηγορία μοντέλων, που ονομάζεται ασαφής σκοτεινή ύλη, υποθέτει απλώς έναν ψίθυρο ενός σωματιδίου σκοτεινής ύλης — ίσως 10²⁸ φορές ελαφρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. Τα υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να είναι σε αυτό το εύρος μεγέθους και επίσης σχετικά ψυχρά. Αυτά τα φτερά θα συμπεριφέρονται περισσότερο σαν κύματα παρά σαν σωματίδια, κυματίζοντας στους γαλαξίες. Όπως η ζεστή σκοτεινή ύλη, αυτή η κυματοειδής ενσάρκωση δεν θα σχημάτιζε βαρυτικά δεσμευμένες συστάδες σε κλίμακες μάζας μικρότερες από τους γαλαξίες. Αλλά η υπερελαφριά σκοτεινή ύλη θα είχε άλλη ένδειξη. Καθώς τα κύματα ασαφούς σκοτεινής ύλης περιστρέφονται μεταξύ τους μέσα σε ένα φωτοστέφανο, μπορεί να σχηματίσουν μικρότερα μοτίβα παρεμβολής που ονομάζονται κόκκοι - περιοχές με κοκκώδη εμφάνιση όπου η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης είναι υψηλότερη - που θα προσδίδουν τη δική τους μετρήσιμη βαρυτική υπογραφή.

Ο αποκλεισμός ορισμένων από αυτές τις θεωρίες απαιτεί την εύρεση - ή εμφανώς μη εύρεση - φωτοστέφανων σκοτεινής ύλης με μικρότερη και μικρότερη μάζα. Η αναζήτηση ξεκίνησε με τον εντοπισμό των πιο μικροσκοπικών φωτοστέφανων που είναι γνωστό ότι τυλίγουν νάνους γαλαξίες, συστάδες σκοτεινής ύλης που εξακολουθούν να ζυγίζουν εκατοντάδες εκατομμύρια ηλιακές μάζες, και τώρα προχωρά προς το άγνωστο. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι αυτά τα υποθετικά μικρά σκοτεινά φωτοστέφανα πιθανότατα στερούνται το βαρυτικό βάρος που απαιτείται για την προσέλκυση της κανονικής ύλης και την ανάφλεξη των αστεριών. Δεν φαίνονται απευθείας — είναι κάτι περισσότερο από βαριές σκιές. «Το κυνήγι έχει ξεκινήσει για αποδείξεις», είπε Matthew Walker, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon. «Είναι απλά δύσκολο να το βρεις».

Μαθήματα από τους φακούς

Οι πιο προηγμένες αναζητήσεις του σήμερα για μικρές, σκοτεινές υποφωτοστέφανες piggyback σε ένα σχεδόν θαυματουργό φαινόμενο: βαρυτικό φακό. Προβλέψεις από τον Αϊνστάιν, οι βαρυτικοί φακοί είναι περιοχές του στρεβλωμένου χωροχρόνου που περιβάλλουν ένα τεράστιο αντικείμενο. Το βαρυτικό πεδίο αυτού του αντικειμένου - ο φακός - παραμορφώνει και εστιάζει το φως του φόντου με τον ίδιο σχεδόν τρόπο που ένας μεγεθυντικός φακός μπορεί να μεγεθύνει την εικόνα ενός μυρμηγκιού ή να συγκεντρώσει το ηλιακό φως αρκετά ώστε να ανάψει μια φωτιά.

Κάθε ευθυγράμμιση φακού περιλαμβάνει μια πηγή φωτός που λάμπει από τις μακρινές ακτές του σύμπαντος και τον ίδιο τον φακό. Συχνά, αυτοί οι φακοί είναι τεράστιοι γαλαξίες ή σμήνη γαλαξιών που παραμορφώνουν τον χωροχρόνο και τυχαίνει να ευθυγραμμίζονται, από κοσμική τύχη, μεταξύ αυτής της μακρινής πηγής και της Γης. Οι φακοί παράγουν μια σειρά οπτικών εφέ, από τόξα φωτός έως πολλαπλά αντίγραφα της ίδιας πηγής φόντου έως εξαιρετικά μεγεθυμένες εικόνες αντικειμένων που διαφορετικά θα ήταν πολύ μακριά για να τα δούμε.

Το 2017, οι αστρονόμοι φωτογράφισαν μόνο ψαρεύοντας μέσα από το σύμπαν με φακό Ικάρος, ένα αστέρι που έκαιγε φωτεινό πριν από περίπου 9 δισεκατομμύρια χρόνια. Πιο πρόσφατα, βρήκαν τον σχεδόν 13 δισεκατομμυρίων ετών Earendel, τον τρέχοντα κάτοχο του ρεκόρ για το αρχαιότερο αστέρι, το οποίο ρίχνει τόσο φως από μόνος του ως 1 εκατομμύριο ήλιοι. Εντόπισαν επίσης τον Γκοτζίλα, ένα τερατώδες ενεργητικό μακρινό αστέρι υφίστανται εκρηκτικό ξέσπασμα, και το συνάδελφο τέρας Mothra του Godzilla, το οποίο φαίνεται να είναι παρόμοιος τύπος μεταβλητού αντικειμένου. ("Και ναι, διασκεδάζουμε με αυτό", είπε ο Ντιέγκο για τη διαδικασία ονοματοδοσίας της ομάδας του.)

Αλλά οι βαρυτικοί φακοί δεν είναι απλώς πύλες προς την άλλη πλευρά του σύμπαντος. Οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης θεωρούν εδώ και καιρό τους φακούς τουλάχιστον εξίσου ενδιαφέροντες με αυτό που μεγεθύνουν. Οι ακριβείς τρόποι με τους οποίους ο φακός παραμορφώνει και παραμορφώνει την εικόνα φόντου αντιστοιχούν στον τρόπο κατανομής της μάζας μέσα και γύρω από τον γαλαξία ή το σύμπλεγμα φακού. Εάν η σκοτεινή ύλη υπάρχει σε μικρές μάζες χωρίς αστέρια μέσα στο γνωστό μοτίβο των φωτοστέφανων σε μέγεθος γαλαξία - λοιπόν, οι αστρονόμοι θα πρέπει επίσης να μπορούν να δουν φως να κάμπτεται γύρω από αυτές τις συστάδες.

Τα μικρότερα σκοτεινά φωτοστέφανα που ανιχνεύονται μέσω αυτής της μεθόδου ήδη ανταγωνίζονται τα μικρότερα φωτοστέφανα που μετρήθηκαν γύρω από νάνους γαλαξίες. Το 2020, μια ομάδα συμπεριλαμβανομένου του Nierenberg χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το Παρατηρητήριο Keck στη Χαβάη για να εξετάσει μεγεθυμένες εικόνες κβάζαρ - φλογεροί φάροι φωτός που εκπέμπονται από την ύλη που πέφτουν σε μαύρες τρύπες - και βρήκε στοιχεία για σκοτεινά φωτοστέφανα τόσο μικρά όσο εκατοντάδες εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Αυτό είναι το ίδιο πρόχειρο μέγεθος φωτοστέφανου που σχετίζεται με τους μικρότερους γαλαξίες, ένα επίπεδο στατιστικής συμφωνίας που ο Nadler, σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε το επόμενο έτος, χρησιμοποιήθηκε για να αποκλειστούν μοντέλα θερμής σκοτεινής ύλης που αποτελούνται από σωματίδια ελαφρύτερα από περίπου το 1/50 ενός ηλεκτρονίου, στα οποία δεν θα μπορούσαν ποτέ να σχηματιστούν τέτοιες μικροσκοπικές συστάδες.

Φέτος, εν τω μεταξύ, δύο ομάδες χρησιμοποίησαν κβάζαρ με φακούς για να αναζητήσουν κόκκους ασαφών, φτερού σωματιδίων σκοτεινής ύλης - κόκκους που θα σχηματίζονταν μέσω μιας διαδικασίας παρόμοιας με αυτή που κάνει τους κυματισμούς να εμφανίζονται στην επιφάνεια μιας πισίνας, σύμφωνα με τον πρώτο συγγραφέα μιας από αυτές τις μελέτες, Ντέβον Πάουελ του Ινστιτούτου Αστροφυσικής Max Planck. «Παρατηρείτε αυτή την πολύ χαοτική, ανώμαλη κατανομή του θέματος», είπε. "Είναι απλώς παρεμβολή κυμάτων."

Η ανάλυση της ομάδας του, που δημοσιεύτηκε τον Ιούνιο στο Μηνιαίες ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας, δεν βρήκε στοιχεία για κυματοειδή φαινόμενα σκοτεινής ύλης σε εικόνες υψηλής ανάλυσης τόξων φωτός από έναν βαρυτικό φακό, υποδηλώνοντας ότι το σκοτεινό σωματίδιο πρέπει να είναι βαρύτερο από τα μικρότερα ασαφή υποψήφια. Αλλά μια μελέτη του Απριλίου στο Φύση Αστρονομία, με επικεφαλής τον Άλφρεντ Αμρούθ του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ, εξέτασαν τέσσερα αντίγραφα με φακό ενός κβάζαρ φόντου και κατέληξαν στο αντίθετο συμπέρασμα: Ένας φακός από ασαφή σκοτεινή ύλη, υποστήριξαν, εξηγείται καλύτερα μικρές διακυμάνσεις στα δεδομένα τους. (Αντιφατικά ευρήματα δεν θα ήταν εντελώς περίεργα, δεδομένου ότι τα αναμενόμενα σήματα είναι διακριτικά και η πειραματική προσέγγιση είναι νέα, λένε ειδικοί εκτός και των δύο ομάδων Quanta.)

Η Nierenberg και οι συνεργάτες της, εν τω μεταξύ, πέρασαν τον τελευταίο χρόνο χρησιμοποιώντας το JWST για να παρατηρήσουν βαρυτικούς φακούς που μεγεθύνουν κβάζαρ, με δοκιμαστικό στόχο να δημοσιεύσουν την πρώτη τους ανάλυση τον Σεπτέμβριο. Θεωρητικά, υπολογίζουν ότι η ικανότητα του JWST να αποκαλύπτει δομή μικρής κλίμακας σε φακούς θα πρέπει να αποκαλύψει εάν υπάρχουν σκοτεινά φωτοστέφανα ως πλήρως αόρατες, χωρίς αστέρια συστάδες με εύρος μεγέθους δεκάδων εκατομμυρίων ηλιακών μαζών. Αν ναι, αυτά τα φωτοστέφανα θα επέβαλαν τον ισχυρότερο περιορισμό μέχρι τώρα στο πόσο «θερμή» μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη.

Αυτή η ακόμη νεότερη μέθοδος εξέτασης ακραίων, μακρινών αστεριών όπως η Mothra μέσω βαρυτικών φακών μπορεί σύντομα να μετακινηθεί από τον εντοπισμό μεμονωμένων περιέργειας σε ένα κανονικό χαρακτηριστικό της αστρονομίας στην εποχή JWST. Αν ο Ντιέγκο και οι συνάδελφοί του έχουν δίκιο και μπορούν να δουν τον Μόθρα επειδή προσλαμβάνεται από μια συστάδα σκοτεινής ύλης που ζυγίζει λιγότερες από μερικά εκατομμύρια ηλιακές μάζες, αυτή η παρατήρηση από μόνη της θα απέκλειε μια ευρεία σειρά μοντέλων θερμής σκοτεινής ύλης. Αλλά θα εξακολουθούσε να υποστηρίζει τόσο την ψυχρή όσο και τη θολή σκοτεινή ύλη, αν και στην τελευταία περίπτωση - όπου η πρόσθετη μεγέθυνση της Mothra προέρχεται από έναν πυκνό κόκκο σκοτεινής ύλης αντί από μια βαρυτικά δεσμευμένη συστάδα - θα εξακολουθούσε να αναγκάζει τη θολή σκοτεινή ύλη σε ένα στενό εύρος πιθανών μαζών.

Οι αστρονόμοι ανακαλύπτουν πολλά περισσότερα αστέρια με φακό με το Hubble και το JWST, είπε ο Ντιέγκο, παρακολουθώντας άλλες ανώμαλες οπτικές παραμορφώσεις που θα μπορούσαν να προέλθουν από το φως των αστεριών που κάμπτεται γύρω από μικρά σκοτεινά αντικείμενα. «Μόλις αρχίζουμε να ξύνουμε την επιφάνεια», είπε. «Δεν κάνω πολλές διακοπές αυτές τις μέρες».

Dark Islands in a Stream of Stars

Άλλες αναζητήσεις για μικρά φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης επικεντρώνονται σε πολύ πιο κοντινά αστέρια - αυτά που βρίσκονται σε streamers κοντά στον Γαλαξία μας και δυαδικά αστέρια σε κοντινούς νάνους γαλαξίες. Το 2018, Άνα Μπονάκα, τώρα αστροφυσικός στα Παρατηρητήρια Carnegie, έσπευσε να κατεβάσει δεδομένα από το διαστημικό σκάφος Gaia της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, το οποίο μετρά τις κινήσεις σχεδόν 2 δισεκατομμυρίων αστεριών στον Γαλαξία. Ο Bonaca ταξινόμησε μέσω αυτών των αρχικών παρατηρήσεων και απομόνωσε τις πληροφορίες από αστέρια που ανήκουν σε μια δομή που ονομάζεται GD-1. Αυτό που είδε ήταν «αμέσως σούπερ συναρπαστικό», είπε. «Βιάσαμε να γράψουμε μια εφημερίδα την επόμενη εβδομάδα περίπου».

Το GD-1 είναι ένα αστρικό ρεύμα, μια χαλαρή σειρά από αστέρια του Γαλαξία που - αν μπορούσατε να το ξεχωρίσετε με γυμνό μάτι - θα εκτείνονταν περισσότερο από τα μισά του δρόμου στον νυχτερινό ουρανό. Αυτά τα αστέρια εκτινάχθηκαν από ένα σφαιρικό αστρικό σμήνος πριν από πολύ καιρό. Τώρα περιφέρονται γύρω από τον Γαλαξία και στις δύο πλευρές αυτού του σμήνος, κινούνται πίσω και μπροστά από το μονοπάτι του σαν σημαδούρες που σηματοδοτούν ένα διαστρικό κανάλι.

Στην ανάλυσή τους του GD-1, η ομάδα του Bonaca βρήκε το θεωρητικό δακτυλικό αποτύπωμα ενός διαπλεκόμενου τμήματος σκοτεινής ύλης. Συγκεκριμένα, μέρος του GD-1 φαινόταν χωρισμένο στα δύο σαν ένα τεράστιο αόρατο αντικείμενο να είχε περάσει με λάθος τρόπο στο ίχνος, τραβώντας αστέρια στο πέρασμά του. Αυτό το διερχόμενο αντικείμενο, υπολόγισαν, μπορεί να ήταν ένα υποφωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης που ζυγίζει μερικά εκατομμύρια ηλιακές μάζες - καθιστώντας το επίσης υποψήφιο για τη μικρότερη υποτιθέμενη συστάδα σκοτεινής ύλης και μια πιθανή απειλή για τις πιο φρυγανισμένες παραλλαγές της θερμής σκοτεινής ύλης .

Πώς όμως να μετατρέψετε ένα μεμονωμένο εύρημα σε κάτι πιο στατιστικό; Μέχρι τώρα, είπε ο Bonaca, οι αστρονόμοι έχουν καταγράψει περίπου 100 αστρικά ρεύματα. Ενώ μόνο μια χούφτα έχει μελετηθεί λεπτομερώς, κάθε ένα που έχει εξεταστεί έχει τις δικές του ασυνήθιστες στροφές και στροφές που μπορεί να προέρχονται από βαρυτικές συναντήσεις με παρόμοια μικρά, σκοτεινά αντικείμενα. Αλλά οι παρατηρήσεις δεν είναι ακόμα οριστικές.

«Νομίζω ότι ο καλύτερος τρόπος για να προχωρήσουμε είναι να αναλύουμε τα ρεύματα ταυτόχρονα», είπε, «για να κατανοήσουμε πόσο μεγάλο μέρος [αυτά τα ασυνήθιστα χαρακτηριστικά] προέρχονται από τη σκοτεινή ύλη».

Σε ακόμη μικρότερες κλίμακες, ο Walker, στο Carnegie Mellon, πέρασε τον περασμένο χρόνο σαρώνοντας παρατηρήσεις JWST νάνων γαλαξιών αναζητώντας τα πιο εύθραυστα αστρικά συστήματα που μπορεί να βρει: δυαδικά αστέρια που είναι πολύ μακριά μεταξύ τους και συγκρατούνται μαζί σε μια χαλαρή βαρυτική αγκαλιά. Εάν μικρά σκοτεινά φωτοστέφανα - τα είδη των αντικειμένων που τα μοντέλα ψυχρής σκοτεινής ύλης λένε ότι πρέπει να είναι άφθονα - περνούν συνεχώς και ασκούν βαρυτικές έλξεις στο περιβάλλον τους, αυτά τα πολύ μεγάλα δυαδικά δεν θα πρέπει να υπάρχουν. Αλλά αν εμφανιστούν ευρείες δυαδικές ψηφίδες, αυτό υποδηλώνει ότι δεν υπάρχουν μικρά σκοτεινά φωτοστέφανα - χτυπώντας ένα σώμα ενάντια στα πολλά μοντέλα ψυχρής σκοτεινής ύλης που τα προβλέπουν.

«Είναι αυτό που αποκαλώ μια αντι-αναζήτηση για φωτοστέφανα υπογαλαξιακής σκοτεινής ύλης», είπε ο Walker.

Μετακίνηση στα Τείχη

Η αναζήτηση για κοσμικές σκιές εξακολουθεί να είναι ένα μικρό μέρος μιας μεγαλύτερης προσπάθειας για να εντοπίσουμε κάτι που μέχρι στιγμής δεν είχε φτάσει. Πειράματα με βάση τη Γη που έχουν σχεδιαστεί για να παγιδεύουν σωματίδια που θα ταιριάζουν με τα ασαφή, θερμά και ψυχρά παραδείγματα σκοτεινής ύλης. Οι ομάδες εξακολουθούν να αναζητούν άλλα χαρακτηριστικά της φυσικής της σκοτεινής ύλης, από τα παραπροϊόντα που παράγονται εάν και όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη, μέχρι τη λεπτή ερώτηση για το πώς η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης ανεβαίνει και πέφτει μέσα στα σκοτεινά φωτοστέφανα, που εξαρτάται από το πώς αλληλεπιδρούν τα σκοτεινά σωματίδια ο ένας με τον άλλο.

Τρέισι Σλέιερ, ένας θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, οραματίζεται το μυστήριο της σκοτεινής ύλης ως ένα τεράστιο κουτί γεμάτο μυριάδες δυνατότητες, αλλά έχει μόνο μία σωστή απάντηση. Σε αυτήν την αναλογία, η στρατηγική της είναι να ρίξει βαθιά σε αυτό το κουτί με συγκεκριμένες, απορριπτέες ιδέες σχετικά με τις ιδιότητες των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Οι πλευρές του κουτιού, ωστόσο, αντιπροσωπεύουν τα μόνα αληθινά περιοριστικά γεγονότα που μπορούν να παρέχουν οι αστρονόμοι, όπως τα ανώτερα όρια για το πόσο ζεστή μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη και τα κατώτερα όρια για το πόσο ασαφής - ή ελαφριά - μπορεί να είναι.

Εάν οι αστρονόμοι μπορούσαν με βεβαιότητα να ανιχνεύσουν πλήρως σκοτεινά κοσμικά αντικείμενα στην περιοχή ενός εκατομμυρίου ηλιακής μάζας, αυτό θα ήταν μια «παρατηρητική περιοδεία», είπε ο Σλάιερ. «Θα ήταν απίστευτο». Οι τοίχοι του κουτιού της θα κινούνταν προς τα μέσα, συρρικνώνοντας τον διαθέσιμο χώρο για δυνατότητες.

Η επερχόμενη τεχνολογία μπορεί σύντομα να μετατρέψει αυτές τις διάφορες αναζητήσεις από πρώιμες μαχαιριές στο σκοτάδι σε βαθύτερες εισβολές στις σκιώδεις δομές που περιβάλλουν το σύμπαν. Η JWST θα εμβαθύνει τη μελέτη της για τους βαρυτικούς φακούς τα επόμενα χρόνια. Η ομάδα του Nierenberg, για παράδειγμα, ξεκίνησε με οκτώ τέτοια συστήματα, αλλά σχεδιάζει να αναλύσει τελικά 31 από αυτά. Όταν εκτοξευθεί το 2027, το Ρωμαϊκό Διαστημικό Τηλεσκόπιο Nancy Grace, ένα παρατηρητήριο βαθμού Hubble με πολύ ευρύτερο οπτικό πεδίο, θα πρέπει να διευκολύνει πολύ το πέρασμα μέσα από νάνους γαλαξίες όπως κάνει ο Walker. Το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin, που πήρε το όνομά του από τον πρωτοπόρο αστρονόμο του οποίου οι παρατηρήσεις ανάγκασαν τους ερευνητές να λάβουν σοβαρά υπόψη το μυστήριο της σκοτεινής ύλης, θα αποκαλύψει περισσότερες λεπτομέρειες για τα αστρικά ρεύματα μόλις αρχίσει να παρατηρεί από τη Χιλή το 2024. Μαζί, τα δύο παρατηρητήρια θα πρέπει να εμφανιστούν χιλιάδες νέοι βαρυτικοί φακοί που μπορούν να αναζητηθούν για σκοτεινές υποδομές.

Μέχρι στιγμής, καμία από τις παρατηρήσεις δεν έχει ανατρέψει τα δημοφιλή μοντέλα ψυχρής σκοτεινής ύλης, τα οποία προβλέπουν ότι το σύμπαν είναι διάσπαρτο με όλο και μικρότερες συστάδες υλικού. Καθώς οι αστρονόμοι συνεχίζουν το εξαντλητικό έργο του χτενίσματος για αυτές τις συστάδες, πολλοί θεωρητικοί και πειραματιστές ελπίζουν ότι ένα πείραμα φυσικής σωματιδίων στη Γη θα αγγίξει την καρδιά του μυστηρίου πολύ πιο γρήγορα. Αλλά η αποκάλυψη αυτών των απομονωμένων θυλάκων του σκότους - και οποιασδήποτε περίπλοκης φυσικής που τους συνοδεύει - είναι σαν «να αποκτάς ένα καθαρότερο εργαστήριο», είπε ο Σλάιερ. «Βρισκόμαστε σε μια συναρπαστική στιγμή».