Koletise tähe valguses, vihje pimedust | Ajakiri Quanta

Eelmise aasta oktoobris, kui James Webbi kosmoseteleskoop kiirgas alla oma esimesed pikad taevalaotused Eridanuse tähtkuju lähedal, hakkasid astronoomid kokku panema lugu hämarast, värelevast valguspunktist, mis näis väljuvat universumi sügavaimatest soppidest.

Mis iganes see oli, see säras liiga kaua, et olla supernoova; ka üksik täht oli laualt ära. "Tundub, et olete ilmselt ühes neist CSI-filmidest, et olete detektiiv," ütles José María Diego, Hispaania Kantaabria Füüsika Instituudi astrofüüsik, kes töötas signaali dešifreerimisel. "Teil on laual palju kahtlusaluseid ja peate [need] ükshaaval kõrvaldama."

Diego ja tema kolleegid teatasid hiljuti, et nõrk valgusplekk näib pärinevat äärmuslik tähesüsteem nad said hüüdnimeks Mothra – ülihiidtähtede paar, kes oma hiilgeajal, tervelt 10 miljardit aastat tagasi, ületasid peaaegu kõike muud nende galaktikas.

Sel ajal oli kogu universum noorem kui Maa praegu; meie planeet hakkas ühinema alles pärast seda, kui Mothra footonid olid jõudnud poolele teele oma kosmilisel teekonnal maailma, mis töötaks välja hiiglasliku infrapunatundliku kosmoseteleskoobi õigel ajal, et nende valgust tabada. Üksikute tähesüsteemide kiirgava valguse tuvastamine, mis ammu oli võimatu. Kuid Mothra, mis sai nime siidliblikatest inspireeritud kaijukoletise järgi, on kõige uuem osa kõigi aegade vanimatest, kaugeimatest ja üldiselt ülivõrdelistest tähesüsteemidest, mille astronoomid on leidnud JWST ja Hubble'i kosmoseteleskoobi piltidelt. Samal ajal kui Mothra ja selle metsalised vennad on omaette intrigeerivad astrofüüsikalised objektid, erutab Diegot kõige rohkem see, et koletiste tähtede valgus näib paljastavat tema ja Maa vahel hõljuva objekti väga erineva klassi: muidu nähtamatu. Tema ja ta kolleegide arvutatud tumeaine klomp kaalub 10,000 2.5–XNUMX miljonit korda päikese massist.

Kui selline objekt on tõesti olemas - esialgne järeldus -, võib see aidata füüsikutel kitsendada oma teooriaid tumeaine kohta ja võib-olla, võib-olla, lahendada universumi seletamatu massi mõistatuse.

Alates 2023. aastast on laboratoorsed jõupingutused üksikute tumeaine osakeste otsimiseks tühjaks jäänud, jättes mõnedele astrofüüsikutele sünge pragmaatilise kahtluse, et ainus viis, kuidas inimesed saavad salapärasele ainele nihikuid panna, võib olla selle gravitatsioonimõjude uurimine universumis laiemalt. Diego meeskond ja teised otsivad kosmose tumedate objektide kummituslikke piirjooni. Nad loodavad tuvastada väikseimad olemasolevad tumeaine tükid - mis omakorda sõltub tumeaine osakese enda põhifüüsikast. Kuid puhta tumeaine tükid ei paista end lihtsalt astronoomidele; meeskonnad kasutavad vaatlusnippe, et selliseid varje varjudest välja meelitada. Nüüd keskenduvad astronoomid kosmilistele nähtustele, mis ulatuvad kosmosest väänatavatest gravitatsiooniläätsedest – nähtamatust, tumeainest domineerivast suurendusklaasist, mis paljastas Mothra – kuni lehvivate linditaoliste tähevoogudeni, mis on palju kodule lähemal. Seni on need jõupingutused välistanud paljud variandid populaarsest mudelikomplektist, mida nimetatakse soojaks tumeaineks.

"Te ei saa tumeainet puudutada," ütles Anna Nierenberg, Mercedi California ülikooli astrofüüsik, kes otsib JWST abil tumedaid tähtedevahelisi laike. Aga sellest tehtud väikeste struktuuride leidmine? "See on nii lähedal kui võimalik."

Halo, halo, halo

See vähe, mida me tumeainest teame, on ebamääraste ja uduste piirjoontega. Aastakümnete pikkused tõendid on näidanud, et gravitatsiooniteooriad on puudulikud või, nagu astrofüüsikud sagedamini väidavad, kummitab universumis tumeaine osake. Ühes klassikalises vaatluses näisid tähed tiirlevat ümber galaktikate äärealade, nagu oleks neid hoitud palju tugevamas gravitatsioonilises haardes, kui nähtav aine arvata võiks. Mõõtes nende tähtede liikumist ja rakendades muid tehnikaid, mis identifitseerivad kosmosepiirkondi, millel on suurem jõud, saavad astronoomid visualiseerida, kuidas universumi tumeaine jaotub suuremates skaalades.

"Kui meil oleks tumeaine kaitseprillid," ütles Nierenberg, näeksime iga galaktika ümber tõenäoliselt "suurt, hägust, laiendatud arbuusikujulist struktuuri, mis on palju suurem kui galaktika ise." Meie enda Linnutee puhul kaalub astronoomide hinnangul see hajus tume kookon, mida nimetatakse haloks, ligikaudu triljonit päikesemassi ja on rohkem kui 10 korda laiem kui galaktika spiraalne tähtede ketas.

Suumige siiski väiksematele skaaladele ja teaduslik kindlus laguneb. Kas Linnutee tumeaine halo on sile rämps? Või on see paigutatud klompidesse, mida nimetatakse alamhalodeks? Ja kui jah, siis mis suurusega need tükid on?

Vastused võimaldavad teadlastel tuvastada tumeaine tõelise olemuse. Mudelid selle kohta, kuidas universum arendas välja oma praeguse struktuuri – kosmilise võrgu, mis on kootud pärlmutter galaktikate stringidest – ennustavad, et tumeaine osakesed, mis iganes nad ka poleks, kogunesid esimese paarisaja tuhande aasta jooksul pärast Suurt Pauku väikesteks gravitatsiooniga seotud tükkideks. Paljud neist tükkidest ühinesid ja tõmbasid lõpuks nähtava aine. Need kasvasid galaktikate seemneteks. Kuid mõned väikseimad tumedad halod, mis ei ühinenud, peaksid siiski eksisteerima kui "varajase universumi struktuuri moodustumise jäänused". Ethan Nadler, Carnegie observatooriumi ja Lõuna-California ülikooli astrofüüsik. "Nagu ajamasin."

Nende reliikviatükkide leidmine ja kaalumine aitaks füüsikutel paremini kinni pidada tumeaine põhifüüsikast, sealhulgas salapärase osakese massist ja selle "temperatuurist", mis on mõnevõrra eksitav termin, mis kirjeldab üksikute osakeste pilvede liikumiskiirust.

Üks peamisi kahtlusaluseid tumeaine müsteeriumis on külm tumeaine, mudelite klass, milles süüdlasteks on suhteliselt rasked ja loiud osakesed; üks näide on nõrgalt interakteeruv massiivne osake ehk WIMP. Kui need teooriad on õiged, oleksid sellised osakesed varases universumis kergesti settinud isegraviteerivateks tükkideks, millest mõned võisid olla nii väikesed kui Maa mass. Tänapäeval peaksid need püsivad tumeaine minihalod endiselt triivima galaktikate suuremas kollektiivses halos, nagu Linnutee, ja selle ümber.

Kuid kui heledamad tumeaine osakesed läbisid varajase kosmose kiiremini, nagu konkureeriv "sooja" tumeaine mudelite klass soovitab, oleksid võinud tekkida ainult suuremad tükid, millel on suurem gravitatsiooniline tõmbejõud. Need mudelid viitavad sellele, et tumeaine struktuuride jaoks on olemas piir, mille all pole halosid olemas. Nii et kui keegi avastab uue, väikseima teadaoleva tumeda halo (nagu väidetavalt Maa ja Mothra vahel), on teoreetikud sunnitud välistama järk-järgult lahedamad stsenaariumid.

Teine populaarne mudelite klass, mida nimetatakse häguseks tumeaineks, eeldab ainult tumeaine osakese sosinat - võib-olla 10²⁸ korda kergem kui elektron. Hüpoteetilised osakesed, mida nimetatakse aksioonideks, võivad olla näiteks selles suuruses ja ka suhteliselt külmad. Need sulgkaalud käituksid galaktikates lainetades pigem lainete kui osakestena. Nagu soe tumeaine, ei moodusta see laineline kehastus gravitatsiooniga seotud tükke galaktikate omast väiksematel massiskaalal. Kuid ülikergele tumeainele oleks teine ​​jutt. Kui häguse tumeaine lained liiguvad halo sees üksteise vastu, võivad need moodustada väiksemaid interferentsimustreid, mida nimetatakse graanuliteks – teralised piirkonnad, kus tumeaine tihedus on suurem –, mis annaksid neile oma mõõdetava gravitatsioonilise signatuuri.

Mõne sellise teooria välistamiseks on vaja leida – või silmatorkavalt mitte leida – tumeaine halod, mille mass on järjest väiksem. Otsingu alustati kõige väiksemate halode tuvastamisega, mis teadaolevalt mähkivad kääbusgalaktikaid, tumeaine tükikesi, mis kaaluvad endiselt sadu miljoneid päikesemassi, ja nüüd liigub see tundmatusse. Probleem on aga selles, et neil hüpoteetilistel väikestel tumedatel halodel puudub tõenäoliselt gravitatsioonijõud, mis on vajalik tavalise aine ligimeelitamiseks ja tähtede süütamiseks. Neid ei saa otse näha – need on vaid rasked varjud. "Tõendite otsimine on käinud," ütles Matthew Walker, Carnegie Melloni ülikooli astrofüüsik. "Seda on lihtsalt raske leida."

Õppetunnid objektiividest

Tänapäeva kõige arenenumad otsingud väikeste, tumedate halodega varjatud seljaosa jaoks peaaegu imelise nähtuse jaoks: gravitatsioonilääts. Einsteini ennustatud gravitatsiooniläätsed on massiivset objekti ümbritsevad kõverdatud aegruumi piirkonnad. Selle objekti gravitatsiooniväli – lääts – moonutab ja fokusseerib taustvalgust samamoodi nagu suurendusklaas võib suurendada sipelga kujutist või koondada päikesevalgust piisavalt tule süütamiseks.

Iga läätse joondus hõlmab valgusallikat, mis paistab universumi kaugemalt kaldalt, ja objektiivi ennast. Sageli on need läätsed massiivsed galaktikad või galaktikaparved, mis kõverdavad aegruumi ja asetsevad kosmilise juhuse tõttu selle kauge allika ja Maa vahel. Objektiivid toodavad mitmesuguseid optilisi efekte, alates valguskaarest kuni sama taustaallika mitme koopiani kuni suure suurendatud kujutisteni objektidest, mis muidu oleksid nägemiseks liiga kaugel.

2017. aastal pildistasid astronoomid ainult läbi objektiiviga kosmose kala püüdes Icarustäht, mis põles eredalt umbes 9 miljardit aastat tagasi. Hiljuti leidsid nad peaaegu 13 miljardit aastat vana Earendeli, praeguse kõige iidseima tähe rekordiomaniku. heidab sama palju valgust iseenesest nagu 1 miljon päikest. Nad märkasid ka Godzillat, koletult energilist kauget tähte läbib plahvatusliku puhanguja Godzilla kaaskoletis Mothra, mis näib olevat sarnast tüüpi muutuv objekt. ("Ja jah, meil on sellega lõbus," ütles Diego oma meeskonna nimede määramise protsessi kohta.)

Kuid gravitatsiooniläätsed ei ole ainult portaalid universumi teisele poole. Tumeaine jahtijad on juba pikka aega pidanud objektiive vähemalt sama huvitavaks kui seda, mida nad suurendavad. Täpsed viisid, kuidas lääts moonutab ja moonutab taustpilti, vastavad massi jaotumisele objektiivigalaktikas või -parves ja selle ümber. Kui tumeaine esineb galaktikasuuruste halode teadaoleva mustri sees väikestes tähtedeta tükkides – siis peaksid astronoomid nägema ka valguse paindumist nende tükkide ümber.

Selle meetodi abil tuvastatud väikseimad tumedad halod konkureerivad juba kääbusgalaktikate ümber mõõdetud väikseimate halodega. 2020. aastal kasutas Nierenbergi hulka kuuluv meeskond Hubble'i kosmoseteleskoopi ja Hawaiil asuvat Kecki observatooriumi, et vaadata suurendatud pilte kvasaridest – mustadesse aukudesse langevast ainest kiirgavatest leegitsevatest valgusmajakatest. leidis tõendeid tumedate halode kohta, mis ulatuvad sadade miljonite päikesemassideni. See on sama umbkaudne halo suurus, mis on seotud väikseimate galaktikatega, statistilise kokkuleppe tase, mida Nadler uuringus avaldati järgmisel aastal, mida kasutati sooja tumeaine mudelite välistamiseks, mis koosnevad osakestest, mis on kergemad kui umbes 1/50 elektronist ja milles sellised väikesed klombid ei saaks kunagi tekkida.

Sel aastal kasutasid kaks meeskonda läätsedega kvasareid, et otsida hägusate sulgkaaluliste tumeaine osakeste terasid – terad, mis tekiksid sarnase protsessiga, mis tekitab esimese autori sõnul basseini pinnale lainetust. ühest neist uuringutest, Devon Powell Max Plancki Astrofüüsika Instituudist. "Te saate selle asja väga kaootilise ja tükilise jaotuse," ütles ta. "See on lihtsalt lainete interferents."

Tema meeskonna analüüs, mis avaldati juunis aastal Kuningliku astronoomiaühingu igakuised teated, ei leidnud selle kohta tõendeid lainelised tumeaine efektid ühe gravitatsiooniläätse valguskaarede kõrge eraldusvõimega kujutistel, mis viitab sellele, et tume osake peab olema raskem kui väikseimad hägused kandidaadid. Aga aprillikuine uuring Looduse astronoomia, eesotsas Alfred Amruth Hongkongi ülikooli uurijad vaatasid taustakvaasari nelja objektiiviga koopiat ja jõudsid vastupidisele järeldusele: hägusest tumeainest valmistatud lääts väitsid, paremini seletatud väikesed kõikumised nende andmetes. (Vastuolulised leiud ei oleks täiesti üllatavad, arvestades, et oodatavad signaalid on peened ja eksperimentaalne lähenemine on uus, ütlevad eksperdid väljaspool mõlemat meeskonda Quanta.)

Vahepeal on Nierenberg ja tema kolleegid viimase aasta kasutanud JWST-i, et vaadelda kvasareid suurendavate gravitatsiooniläätsede esialgne eesmärk avaldada oma esimene analüüs septembris. Teoreetiliselt arvavad nad, et JWST-i võime paljastada objektiivide väikesemahuline struktuur peaks paljastama, kas tumedad halod eksisteerivad täielikult nähtamatute, tähtedeta tükkidena, mille suurus ulatub kümnetesse miljonitesse päikesemassidesse. Kui jah, seaksid need halod seni kõige tugevama piirangu tumeaine "soe" suhtes.

See veelgi uuem meetod äärmuslike ja kaugete tähtede, nagu Mothra, läbi gravitatsiooniläätsede vaatlemiseks võib peagi liikuda ühekordsete kurioosumite tuvastamisest JWST ajastu astronoomia tavapäraseks tunnuseks. Kui Diegol ja tema kolleegidel on õigus ja nad näevad Mothrat, kuna seda läätseb tumeaine tükk, mis kaalub vähem kui paar miljonit päikesemassi, välistaks see vaatlus ainuüksi sooja tumeaine mudelite suure hulga. Kuid see toetaks endiselt nii külma kui ka hägusat tumeainet, kuigi viimasel juhul – kui Mothra lisasuurendus tuleneb gravitatsiooniga seotud klombi asemel tihedast tumeaine graanulitest – sunniks see häguse tumeaine siiski kitsasse vahemikku. võimalikest massidest.

Diego ütles, et astronoomid avastavad Hubble'i ja JWST abil palju rohkem läätsega tähti, hoides silma peal muudel anomaalsetel optilistel moonutustel, mis võivad tuleneda väikeste tumedate objektide ümber painduvast tähevalgusest. "Me alles hakkame pinda kriimustama," ütles ta. "Ma ei võta tänapäeval palju puhkust."

Tumedad saared tähtede voos

Teised väikeste tumeaine halode otsingud on keskendunud palju lähemal asuvatele tähtedele – Linnutee lähedal asuvatele voodritesse ja kaksiktähtedele lähedalasuvates kääbusgalaktikates. 2018. aastal Ana Bonaca, praegu Carnegie observatooriumi astrofüüsik, püüdis alla laadida Euroopa Kosmoseagentuuri kosmoseagentuuri Gaia andmeid, mis mõõdavad ligi 2 miljardi tähe liikumist Linnuteel. Bonaca sorteeris need esialgsed vaatlused ja eraldas teabe tähtedelt, mis kuuluvad struktuuri nimega GD-1. Ta ütles, et see, mida ta nägi, oli "kohe ülipõnev". "Kiirustasime järgmise nädala jooksul referaati kirjutama."

GD-1 on tähevoog, lahtine Linnutee tähtede jada, mis – kui saaksite selle palja silmaga välja valida – ulatuks üle poole öötaeva. Need tähed paisati kerakujulisest täheparvest välja juba ammu; nad tiirlevad nüüd Linnuteel mõlemal pool seda parve, tiirledes selle raja taga ja ees nagu tähtedevahelist kanalit tähistavad poid.

Nende analüüsis GD-1-st leidis Bonaca meeskond teoreetilise sõrmejälje vahele jäävast tumeaine tükist. Täpsemalt, osa GD-1-st tundus olevat kaheks lõhenenud, nagu oleks massiivne nähtamatu objekt läbi raja eksinud, tõmmates enda järel tähti. Nende arvutuste kohaselt võis see mööduv objekt olla tumeaine alamhalo, mis kaalus paar miljonit päikesemassi – muutes selle ka kandidaatiks väikseima oletatava tumeaine klombi leidmiseks ja potentsiaalseks ohuks sooja tumeaine röstisematele variantidele. .

Aga kuidas muuta üks leid millekski statistilisemaks? Bonaca sõnul on astronoomid praeguseks krooninud umbes 100 tähevoogu. Kuigi üksikasjalikult on uuritud vaid käputäis, on igal uuritud objektil oma ebaharilikud kõverused ja kõverused, mis võivad tuleneda gravitatsioonilistest kohtumistest sarnaselt väikeste tumedate objektidega. Kuid tähelepanekud pole veel lõplikud.

"Ma arvan, et parim viis edasi on analüüsida voogusid üheaegselt," ütles ta, "et mõista, kui suur osa [neist ebatavalistest omadustest] pärineb tumeainest."

Veelgi väiksemas mastaabis on Walker Carnegie Mellonis viimase aasta skaneerinud kääbusgalaktikate JWST-vaatlusi, otsides kõige õrnemaid tähesüsteeme, mida ta võib leida: kaksiktähti, mis on teineteisest väga kaugel ja mida hoitakse koos lahtises gravitatsioonilises embuses. Kui väikesed tumedad halod – sellised objektid, mida külma tumeaine mudelite järgi peaks olema palju – mööduvad pidevalt ja avaldavad oma ümbrusele gravitatsioonitõmbeid, ei tohiks neid väga laiu binaarfaile eksisteerida. Kui aga ilmuvad laiad kahendkoodid, viitab see sellele, et väikseid tumedaid halosid pole olemas – see annab kehale löögi paljude külma tumeaine mudelite vastu, mis neid ennustavad.

"See on see, mida ma nimetan subgalaktilise tumeaine halode otsimiseks," ütles Walker.

Seintes liikumine

Kosmiliste varjude otsimine on ikkagi väike osa suuremast pingutusest, et tabada midagi, mis on seni käeulatusest eemale tõmbunud. Maal põhinevad katsed, mille eesmärk on püüda kinni osakesi, mis sobiksid häguse, sooja ja külma tumeaine paradigmatega. meeskonnad otsivad endiselt muid tumeaine füüsika tunnuseid, alates kõrvalsaadustest, mis tekivad siis, kui osakesed interakteeruvad normaalse ainega, kuni peen küsimuseni, kuidas tumeaine tihedus tumedates halodes tõuseb ja langeb, mis sõltub sellest, kuidas tumedad osakesed interakteeruvad. üksteisega.

Tracy Slatyer, Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi teoreetiline füüsik, visualiseerib tumeaine müsteeriumi kui tohutut kasti, mis on täis lugematuid võimalusi, kuid sisaldab ainult ühte õiget vastust. Selle analoogia kohaselt on tema strateegia tükeldada sügavale sellesse kasti konkreetsete, ümberlükkamatute ideedega tumeaine osakeste omaduste kohta. Kasti küljed esindavad aga ainsaid tõelisi piiravaid fakte, mida astronoomid saavad pakkuda, näiteks ülempiirid selle kohta, kui soe tumeaine võib olla, ja alampiir selle kohta, kui hägune või kerge võib see olla.

Kui astronoomid suudaksid enesekindlalt tuvastada täiesti tumedaid kosmilisi objekte miljoni päikesemassiga vahemikus, oleks see "vaatluskäik", ütles Slatyer. "See oleks uskumatu." Tema kasti seinad liiguksid sissepoole, vähendades võimaluste jaoks saadaolevat ruumi.

Tulevane tehnoloogia võib peagi muuta need mitmesugused otsingud varajastest pimedas torkimistest sügavamateks rünnakuteks universumit ümbritsevatesse varjulistesse struktuuridesse. JWST süvendab lähiaastatel oma gravitatsiooniläätsede uurimist; Näiteks Nierenbergi rühm on alustanud kaheksa sellise süsteemiga, kuid kavatseb lõpuks analüüsida neist 31. Kui Nancy Grace'i rooma kosmoseteleskoop 2027. aastal stardib, peaks Hubble'i klassi vaatluskeskus, millel on palju laiem vaateväli, muutma kääbusgalaktikate panoraamimise palju lihtsamaks, nagu seda teeb Walker. Vera C. Rubini observatoorium, mis sai nime teerajaja astronoomi järgi, kelle tähelepanekud sundisid teadlasi tumeaine mõistatust tõsiselt võtma, paljastab rohkem üksikasju tähtede voogude kohta, kui see hakkab 2024. aastal Tšiilist vaatlema. Need kaks vaatluskeskust koos peaks välja tooma tuhandeid uusi gravitatsiooniläätsi, mida saab tumedate alusstruktuuride jaoks läbi küürida.

Seni pole ükski tähelepanek kukutanud populaarseid külma tumeaine mudeleid, mis ennustavad, et universum on täis järjest väiksemaid kraami tükke. Kui astronoomid jätkavad kurnavat tööd nende tükkide otsimiseks, loodavad paljud teoreetikud ja eksperimentalistid, et osakeste füüsika eksperiment Maal lõikab mõistatuse keskmesse palju kiiremini. Kuid nende eraldatud pimedusetaskute – ja nendega kaasneva keerulise füüsika – paljastamine on nagu "puhtama labori saamine", ütles Slatyer. "Meil on põnev aeg."