JWST – Physics World on saattanut nähdä pimeän aineen käyttämiä tähtiä

JWST – Physics World on saattanut nähdä pimeän aineen käyttämiä tähtiä

Aikaleima: 1. elokuuta 2023 9

Supermassiiviset tummat tähdet
Tummat tähdet, eivät galaksit: JWST Advanced Deep Extragalactic Survey tunnisti nämä kolme kohdetta alun perin galakseiksi. Nyt tähtitieteilijöiden trio kuitenkin väittää, että he ovat itse asiassa supermassiivisia tummia tähtiä. (Luva: NASA/ESA)

Amerikkalaisten tähtitieteilijöiden kolmikko on löytänyt vakuuttavia todisteita "tummien tähtien" olemassaolosta – hypoteettisista esineistä, jotka saavat voimansa pimeän aineen tuhoamisesta. Tummat tähdet voisivat selittää James Webbin avaruusteleskoopin (JWST) näkemän muinaisten galaksien odottamattoman runsauden.  Katherine Freese Texasin yliopistossa Austinissa yhdessä Kosmin Ilie ja Jillian Paulin Colgaten yliopistossa käytettiin JWST-dataa päätelläkseen, että kolme näistä galakseista voi todella olla tummia tähtiä.

Alle kaksi vuotta ensimmäisten kuviensa julkaisusta JWST on jo muuttanut tähtitieteilijöiden käsitystä varhaisesta maailmankaikkeudesta. Sen yllättävimpiin havaintoihin on kuulunut valtava määrä erittäin kirkkaita, muinaisia ​​galakseja, jotka olisivat muodostuneet alueille, joissa on runsaasti pimeää ainetta.

Pimeä aine on hypoteettinen aine, jota fyysikot käyttävät selittämään maailmankaikkeuden laajamittaista rakennetta. Vaikka sitä ei ole koskaan havaittu suoraan, se on osa nykyistä kosmologian standardimallia - lambda kylmän pimeän aineen mallia (ΛCDM). Tämä kuvaa maailmankaikkeuden rakennetta ja laajenemista samalla kun ottaa huomioon pimeän aineen gravitaatiovaikutuksen.

Pimeän aineen lämmitys

Vuonna 2007, Freese ja kollegat ehdottivat mahdollisuutta "tummille tähdille", joka saattoi olla yleistä varhaisessa universumissa. Vaikka nämä eksoottiset tähdet koostuvat enimmäkseen vedystä ja heliumista, niitä ruokkisi "pimeän aineen lämmitys" ydinfuusion sijaan. Tämä saattaa koskea eräänlaista pimeää ainetta, jota kutsutaan heikosti vuorovaikutteisiksi massiivihiukkasiksi (WIMP). WIMP:t ovat vältelleet löytöjä vuosikymmeniä maan päällä tehdyissä havaintokokeissa, mutta Freesen ryhmän mukaan pimeän aineen pelkkä tiheys varhaisessa universumissa voi saada ne olemaan vuorovaikutuksessa paljon useammin tavallisen aineen kanssa joidenkin varhaisimpien tähtien muodostumisen aikana.

Varhaisessa universumissa "WIMP:t olisivat voineet tuhoutua fotoneiksi, elektroni-positronipareiksi ja muiksi hiukkasiksi, jotka törmäsivät veteen romahtavissa pilvissä", Freese selittää. "Nämä hiukkaset juuttuvat sitten pilven sisään ja keräävät kaiken energian pimeän aineen hiukkasten massasta pilveen. Pilvi lakkaa sitten romahtamasta ja muuttuu sen sijaan "tummaksi tähdeksi".

Tummat tähdet ovat tähtiä kaikessa mielessä, koska niiden kylmän, sisään putoavan materiaalin valtava painovoima on täydellisesti tasapainotettu ulospäin suuntautuvalla hydrostaattisella paineella, joka syntyy niiden sisätiloissa tapahtuvien energiaa vapauttavien prosessien seurauksena. Kaikesta huolimatta Freese sanoo, että heillä on useita keskeisiä eroja tavallisista tähdistä.

Viileä kauttaaltaan

"Niissä ei ole ydintä, toisin kuin fuusiovoimalla toimivissa tähdissä, jotka tarvitsevat korkeita lämpötiloja fuusion tapahtuakseen", Freese selittää. "Tummat tähdet ovat viileitä kauttaaltaan, myös pinnalla, joten ne eivät tuota ionisoivia fotoneja tai tuulia, jotka estäisivät niitä keräämästä massaa."

Tämän seurauksena Freese ja kollegat väittävät, että tummat tähdet nousevat kooltaan noin 10 AU:iin ja miljooniin auringon massoihin. Tämän ansiosta tähdet voivat vetää sisäänsä entistä enemmän pimeän aineen hiukkasia. Prosessissa "supermassiivinen" tumma tähti (SMDS) voi muuttua tarpeeksi kirkkaaksi ylittääkseen koko galaksin.

Tavallisesti galaksit voidaan helposti erottaa tähdistä, koska ne vievät laajoja alueita avaruudesta, kun taas tähdet näkyvät yksittäisinä valopisteinä. Silti niin suurilla etäisyyksillä edes JWST:llä ei ole tarpeeksi korkeaa resoluutiota erottamaan tähdet ja galaksit. Jos Freese ja hänen kollegansa ovat oikeassa, tämä viittaa siihen, että muinaisia ​​galakseja esiintyy niin paljon JWST:n tiedoissa, koska monet niistä ovat SMDS:itä.

Absorptiolinjat

Etsiäkseen todisteita SMDS:istä trio tutki JWST Advanced Deep Extragalactic Surveyn (JADES) tietoja. Kyselyssä he etsivät todisteita siitä, että ehdokastähdet absorboivat valoa tietyillä aallonpituuksilla. Erityisesti he olivat kiinnostuneita 1640 nm:n helium-II-absorptioviivasta, joka havaitaan usein kuumien, kirkkaiden tähtien spektrissä.

"Helium-II-absorptiolinja olisi savuava ase tummalle tähdelle, koska galaksit eivät tuota sellaisia ​​viivoja", Freese sanoo. "Jos muita alkuaineita kuin vetyä ja heliumia löytyy, se ei ole tumma tähti."

Kun he etsivät JADESilla, he tunnistivat useita esineitä, jotka vastasivat läheisesti heidän SMDS-kriteeriään. "Huomasimme, että kolme niistä sopii hyvin SMDS:ihin", Freese jatkaa. "Niillä on oikeat spektrit, vaikka ilmaisimen resoluutio ei vielä osaa sanoa, ovatko nämä piste- vai laajennettuja esineitä."

Jatkossa tiimi toivoo, että JWST poimii SMDS-ehdokkaita, jotka on suurennettu gravitaatiolinssillä – mikä saattaa lisätä resoluutiota riittävän korkeaksi varmistaakseen, että kohteet ovat todellakin yksittäisiä valopisteitä laajennetun galaksin sijaan. "Jos jotkut näistä varhaisista kohteista ovat tummia tähtiä galaksien sijaan, se auttaisi säilyttämään JWST:n havaintojen johdonmukaisuuden kosmologian vakiomallin kanssa", Freese sanoo.

Tämän lisäksi tämä vahvistus voisi olla merkittävä läpimurto pimeän aineen luonteen ymmärtämisessä ja tarjota lisätodisteita WIMP:iden olemassaolosta.

Tutkimus on kuvattu Proceedings of National Academy of Sciences.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma