Szörnycsillag fényében, egy csipetnyi sötétség | Quanta Magazin

Tavaly októberben, amikor a James Webb Űrteleszkóp az Eridanus csillagkép közelében sugározta le első hosszú expozícióit az égbolton, a csillagászok elkezdték összerakni egy halvány, villogó fénypont történetét, amely úgy tűnt, hogy az univerzum legmélyebb bugyraiból emelkedett ki.

Bármi is volt, túl sokáig csillogott ahhoz, hogy szupernóva legyen; egyetlen csillag is lekerült az asztalról. „Úgy tűnik, valószínűleg az egyik ilyen CSI-filmben szerepelsz, és egy nyomozó vagy” – mondta José María Diego, a spanyolországi Kantábriai Fizikai Intézet asztrofizikusa, aki a jel megfejtésén dolgozott. "Sok gyanúsított van az asztalon, és egyenként kell kiiktatnod őket."

Diego és kollégái a közelmúltban arról számoltak be, hogy a halvány fényfolt a jelek szerint innen származik extrém csillagrendszer Mothra becenevet kaptak – egy szuperóriás csillagpár, amely fénykorukban, teljes 10 milliárd évvel ezelőtt, szinte minden mást felülmúlt galaxisukban.

Abban az időben az egész univerzum fiatalabb volt, mint most a Föld; bolygónk csak azután kezdett egyesülni, hogy a Mothra fotonok elérték kozmikus útjuk félidejét egy olyan világ felé, amely egy óriási, infravörösre érzékeny űrtávcsövet fog kifejleszteni, még időben, hogy elkapja a fényüket. Az egyes csillagrendszerek által kibocsátott fény észlelése régen lehetetlen volt. Ám a Mothra, amelyet egy selyemmolyok által ihletett kaju-szörnyről neveztek el, csak a legújabb a valaha volt legrégebbi, legtávolabbi, csak általában szuperlatív csillagrendszerekből, amelyeket a csillagászok találtak a JWST és a Hubble Űrteleszkóp felvételein. És egy csavar, miközben Mothra és vadállat testvérei önmagukban is érdekes asztrofizikai objektumok, Diegot leginkább az izgatja, hogy a szörnycsillagok fénye egy egészen más típusú objektumot tár fel közte és a Föld között: egy egyébként láthatatlan. Az általa és kollégáival kiszámított sötét anyag rög súlya a Nap tömegének 10,000 2.5-XNUMX milliószorosa.

Ha egy ilyen objektum valóban létezik – egyelőre előzetes következtetés –, az segíthet a fizikusoknak leszűkíteni a sötét anyaggal kapcsolatos elméleteiket, és talán, csak talán, megoldja a világegyetem megmagyarázhatatlan tömegének rejtélyét.

2023-tól kezdődően az egyes sötétanyag-részecskék felkutatására irányuló laboratóriumi kísérletek üresen maradtak, így egyes asztrofizikusok azt a komoran pragmatikus gyanút hagyták maguk után, hogy az ember csak úgy tudja felvenni a tolómérőt a titokzatos anyagra, hogy megvizsgálja annak gravitációs hatásait a tágabb világegyetemre. Így hát Diego csapata és mások a kozmoszban lévő sötét tárgyak kísérteties körvonalait keresik. Azt remélik, hogy azonosítani tudják a létező legkisebb sötétanyag-csomókat – ami viszont magának a sötét anyagrészecskének az alapvető fizikájától függ. De a tiszta sötét anyag csomói nem csak a csillagászok előtt mutatkoznak meg; a csapatok megfigyelési trükköket alkalmaznak az ilyen árnyékok árnyékból való kijavításához. A csillagászok most a kozmikus jelenségekre összpontosítanak, az űrt vetemedő gravitációs lencséktől – az a fajta láthatatlan, sötét anyag uralta nagyító, amely felfedte a Mothrát – a csapkodó, szalagszerű csillagfolyamokig, amelyek sokkal közelebb vannak az otthonunkhoz. Eddig ezek az erőfeszítések kizárták a „meleg sötét anyagnak” nevezett népszerű modellkészlet számos változatát.

– Nem érintheti meg a sötét anyagot – mondta Anna Nierenberg, a Mercedi Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa, aki sötét csillagközi foltokat keres a JWST segítségével. De találni belőle kis szerkezeteket? – Olyan közel van, amennyire csak lehet.

Halo, halo, halo

Az a kevés, amit a sötét anyagról tudunk, homályos, elmosódott körvonalakban létezik. Évtizedes bizonyítékok arra utalnak, hogy vagy a gravitáció elméletei hiányosak, vagy – ahogyan az asztrofizikusok gyakrabban állítják – egy sötét anyag részecske kísérti az univerzumot. Egy klasszikus megfigyelés szerint a csillagok úgy száguldoztak a galaxisok peremén, mintha sokkal erősebb gravitációs szorításban tartanák őket, mint azt a látható anyag sejtené. Ezeknek a csillagoknak a mozgásának mérésével és egyéb olyan technikák alkalmazásával, amelyek az űrben különösen nehézkes régiókat azonosítanak, a csillagászok elképzelhetik, hogyan oszlik el az univerzum sötét anyaga nagyobb léptékben.

"Ha sötét anyagú védőszemüvegünk lenne" - mondta Nierenberg, akkor minden galaxis körül valószínűleg egy nagy, homályos, kiterjesztett, görögdinnye alakú szerkezetet látnánk, amely sokkal nagyobb, mint maga a galaxis. A mi Tejútrendszerünkre vonatkozóan a csillagászok becslése szerint ez a diffúz, sötét gubó – amelyet halónak neveznek – nagyjából egy billió naptömeget nyom, és több mint 10-szer szélesebb, mint a galaxis csillagokból álló spirálkorongja.

Ha azonban kisebb léptékre közelít, a tudományos bizonyosság megbomlik. A Tejútrendszer sötét anyagának halója egy sima folt? Vagy csomókban van elrendezve, úgynevezett sub-halos? És ha igen, milyen méretűek ezek a csomók?

A válaszok segítségével a tudósok azonosíthatják a sötét anyag valódi természetét. Az univerzum jelenlegi szerkezetének – gyöngyházfényű galaxisfüzérekkel szövött – kozmikus hálójának evolúciós modelljei azt jósolják, hogy a sötét anyag részecskéi, bármik is legyenek, kis, gravitációhoz kötött csomókká gyűlnek össze az Ősrobbanás utáni első néhány százezer évben. Sok ilyen csomó összeolvadt, és végül behúzta a látható anyagot. Ezek galaxisok magvaivá nőttek. De a legkisebb sötét fényudvarok némelyikének, amelyek nem egyesültek, továbbra is létezniük kell, mint „a szerkezet kialakulásának maradványai a korai univerzumban” – mondta. Ethan Nadler, a Carnegie Obszervatóriumok és a Dél-Kaliforniai Egyetem asztrofizikusa. – Olyan, mint egy időgép.

Ezeknek az ereklye-csomóknak a megtalálása és lemérése segítené a fizikusokat a sötét anyag alapvető fizikájának – beleértve a titokzatos részecske tömegét és „hőmérsékletét” – megszilárdításában. Ez egy kissé félrevezető kifejezés, amely leírja az egyes részecskékből álló felhők körbefutásának sebességét.

A sötét anyag rejtélyének egyik vezető gyanúsítottja a hideg sötét anyag, a modellek egy osztálya, amelyben a bűnösök viszonylag nehéz és lomha részecskék; az egyik példa egy gyengén kölcsönható masszív részecske, vagy a WIMP. Ha ezek az elméletek igazak, az ilyen részecskék könnyen leülepedtek volna öngravitáló csomókká a korai univerzumban, amelyek némelyike ​​olyan kicsi lehetett, mint egy Föld tömege. Ma a sötét anyag e megmaradt mini-glóriáinak még mindig sodródniuk kell a galaxisok, például a Tejútrendszer nagyobb kollektív glóriáján belül és körül.

De ha a világosabb sötét anyag részecskék gyorsabban száguldanak át a korai kozmoszon, ahogy azt a „meleg” sötét anyag modellek versengő osztálya sugallja, csak nagyobb csomók jöhettek volna létre erősebb gravitációs vonzással. Ezek a modellek azt sugallják, hogy van egy határ a sötét anyag struktúrái számára, egy minimális tömeg, amely alatt nem léteznek fényudvarok. Tehát valahányszor valaki felfedez egy új, legkisebb ismert sötét glóriát (mint az állítólagos a Föld és a Mothra között), a teoretikusok kénytelenek kizárni a fokozatosan hűvösebb forgatókönyveket.

A modellek másik népszerű osztálya, az úgynevezett fuzzy sötét anyag, csupán egy sötét anyag-részecske suttogását feltételezi – talán 10²⁸ szor könnyebb, mint egy elektron. Az axionoknak nevezett hipotetikus részecskék például ebben a mérettartományban lehetnek, és viszonylag hidegek is. Ezek a pehelynehezék inkább hullámként, mint részecskéként viselkednének, amelyek a galaxisokon át hullámoznának. A meleg sötét anyaghoz hasonlóan ez a hullámszerű inkarnáció sem képezne gravitációsan kötött csomókat a galaxisoknál kisebb tömegskálákon. De az ultrakönnyű sötét anyagnak van más mondanivalója is. Ahogy a homályos sötét anyag hullámai egymásnak feszülnek egy fényudvaron belül, kisebb interferencia-mintázatokat, úgynevezett granulátumokat képezhetnek – olyan szemcsés kinézetű régiókat, ahol a sötét anyag sűrűsége nagyobb –, amelyek saját mérhető gravitációs jelüket kölcsönöznék.

Ezen elméletek némelyikének kizárásához meg kell találni – vagy feltűnően nem találni – egyre kisebb tömegű sötét anyag fényudvarokat. A keresés azzal kezdődött, hogy azonosították a törpegalaxisokat, sötét anyag-csomókat, amelyek még mindig több százmillió naptömegűek, és a legkicsinyebb fényudvarokat, amelyek jelenleg is több százmillió naptömegűek, és most az ismeretlenbe nyúlnak. A probléma azonban az, hogy ezekből a feltételezett kis, sötét fényudvarokból valószínűleg hiányzik a gravitációs erő, amely a rendszeres anyag vonzásához és a csillagok meggyújtásához szükséges. Közvetlenül nem láthatók – alig többek nehéz árnyékoknál. „A bizonyítékok keresése folyik” – mondta Matthew Walker, a Carnegie Mellon Egyetem asztrofizikusa. – Csak nehéz megtalálni.

Leckék a lencsékből

Napjaink legfejlettebb keresései kicsi, sötét halos hátulról egy szinte csodálatos jelenségre: a gravitációs lencsékre. Einstein előrejelzése szerint a gravitációs lencsék egy hatalmas tárgyat körülvevő, elvetemült téridő régiói. Ennek az objektumnak a gravitációs tere – a lencse – ugyanúgy torzítja és fókuszálja a háttérfényt, mint ahogy a nagyító képes felnagyítani egy hangya képét, vagy eléggé koncentrálni a napfényt ahhoz, hogy tüzet gyújtson.

Minden lencsebeállítás magában foglal egy fényforrást, amely az univerzum távoli partjairól világít, és magát a lencsét. Ezek a lencsék gyakran hatalmas galaxisok vagy galaxishalmazok, amelyek meghajlítják a téridőt, és véletlenül a távoli forrás és a Föld között helyezkednek el. Az objektívek számos optikai effektust hoznak létre, a fényívektől kezdve, ugyanazon háttérforrás többszörös másolatán át egészen az olyan tárgyakról készült, nagymértékben felnagyított képekig, amelyek egyébként túl messze lennének láthatóak.

2017-ben a csillagászok csak a lencsés kozmoszban halászva fotóztak Icarus, egy csillag, amely fényesen égett körülbelül 9 milliárd évvel ezelőtt. Nemrég megtalálták a csaknem 13 milliárd éves Earendelt, a legősibb csillag jelenlegi rekorderét, annyi fényt áraszt önmagában 1 millió napként. Megfigyelték Godzillát is, egy szörnyen energikus távoli csillagot robbanásveszélyes kitörésen megy keresztül, és Godzilla másik szörnyeteg Mothra, amely hasonló típusú változó objektumnak tűnik. ("És igen, jól szórakozunk ezen" - mondta Diego csapata névadási folyamatáról.)

De a gravitációs lencsék nem csak portálok az univerzum másik oldalára. A sötétanyag-vadászok régóta legalább olyan érdekesnek tartják a lencséket, mint amit felnagyítanak. A lencse megvetemedésének és a háttérkép torzításának pontos módjai megfelelnek a tömeg eloszlásának az objektív galaxisban vagy halmazban és környékén. Ha a sötét anyag kis csillagtalan csomókban létezik a galaxisméretű fényudvarok ismert mintáján belül – nos, akkor a csillagászoknak látniuk kell a fényt is e csomók körül.

Az ezzel a módszerrel észlelt legkisebb sötét glóriák már vetekednek a törpegalaxisok körül mért legkisebb fényudvarokkal. 2020-ban egy Nierenberget is magában foglaló csapat a Hubble Űrteleszkópot és a hawaii Keck Obszervatóriumot használta kvazárok – a fekete lyukakba hulló anyag által kibocsátott lángoló jelzőfények – felnagyított képeinek megtekintésére. bizonyítékot találtak a több százmillió naptömegű sötét fényudvarra. Ez ugyanaz a durva glóriaméret, amely a legkisebb galaxisokhoz kapcsolódik, és ez a statisztikai megegyezés szintje, mint Nadler, Egy tanulmány a következő évben publikálták, arra használták, hogy kizárják az elektron körülbelül 1/50-énél könnyebb részecskékből álló meleg sötét anyag modelleket, amelyekben ilyen kicsinyített csomók soha nem képződhetnek.

Idén eközben két csapat lencsés kvazárokkal keresett homályos, pehelysúlyú sötétanyag-részecskék szemcséit – olyan szemcséket, amelyek egy úszómedence felszínén hullámosodást okozó folyamathoz hasonló folyamat során képződnek az első szerző szerint. az egyik ilyen tanulmányból, Devon Powell a Max Planck Asztrofizikai Intézet munkatársa. „Ezt a nagyon kaotikus, göröngyös eloszlást kapja” – mondta. – Ez csak hulláminterferencia.

Csapata elemzése, amelyet júniusban tettek közzé A Királyi Csillagászati ​​Társaság havi értesítése, nem talált bizonyítékot hullámszerű sötét anyag hatások egy gravitációs lencséről készült fényívek nagy felbontású képeiben, ami arra utal, hogy a sötét részecskének nehezebbnek kell lennie, mint a legkisebb fuzzy jelöltek. De egy áprilisi tanulmány Természet csillagászat, vezette Alfred Amruth A Hongkongi Egyetem kutatói egy háttérkvazár négy lencsés másolatát nézték meg, és az ellenkező következtetésre jutottak: egy homályos sötét anyagból készült lencse, azzal érveltek, jobban megmagyarázva kis ingadozások adataikban. (Az ellentmondó eredmények nem lennének teljesen meglepőek, tekintve, hogy a várt jelek finomak, és a kísérleti megközelítés új, mindkét csapaton kívüli szakértők mondják Quanta.)

Eközben Nierenberg és munkatársai az elmúlt évet JWST segítségével töltötték a kvazárokat felnagyító gravitációs lencsék megfigyelésére, azzal a kísérleti céllal, hogy szeptemberben publikálják első elemzésüket. Elméletileg a számítások szerint a JWST azon képessége, hogy feltárja a lencsék kis léptékű szerkezetét, felfedi, hogy léteznek-e sötét fényudvarok, mint teljesen láthatatlan, csillagtalan csomók, amelyek mérete több tízmillió naptömegű. Ha igen, akkor ezek a fényudvarok szabnák az eddigi legerősebb korlátozást arra vonatkozóan, hogy mennyire „meleg” lehet a sötét anyag.

Az extrém, távoli csillagok, például a Mothra gravitációs lencséken keresztüli szemlélésének ez a még újabb módszere hamarosan az egyszeri érdekességek azonosításától a JWST-korszak csillagászatának rendszeres jellemzőjévé válhat. Ha Diegónak és kollégáinak igaza van, és látják a Mothrát, mert egy pár millió naptömegnél kisebb tömegű sötétanyag-csomó lencsevégreítja, ez a megfigyelés önmagában kizárná a meleg sötét anyag modellek széles körét. De továbbra is támogatná mind a hideg, mind a homályos sötét anyagot, bár az utóbbi esetben – ahol a Mothra extra nagyítása a sötét anyag sűrű szemcséjéből származik a gravitációsan kötött csomó helyett – továbbra is szűk tartományba kényszerítené a fuzzy sötét anyagot. lehetséges tömegek.

Diego szerint a csillagászok sokkal több lencsés csillagot tárnak fel a Hubble-lel és a JWST-vel. „Épp most kezdjük megvakarni a felszínt” – mondta. – Mostanában nem sokat nyaralok.

Sötét szigetek a csillagok patakjában

A kis sötétanyag-glóriákra irányuló egyéb kutatások a sokkal közelebbi csillagokra összpontosulnak – a Tejútrendszer közelében lévő sugárzókban, és a közeli törpegalaxisokban lévő kettőscsillagokra. 2018-ban Ana Bonaca, aki jelenleg a Carnegie Obszervatórium asztrofizikusa, az Európai Űrügynökség Gaia űrszondájának adatainak letöltéséért versenyzett, amely közel 2 milliárd csillag mozgását méri a Tejútrendszerben. Bonaca átválogatta ezeket a kezdeti megfigyeléseket, és elkülönítette az információkat a GD-1 nevű szerkezethez tartozó csillagoktól. Amit látott, „azonnal szuper izgalmas volt” – mondta. – A következő héten rohantunk egy dolgozatot írni.

A GD-1 egy csillagfolyam, a Tejútrendszer csillagainak laza láncolata, amely – ha szabad szemmel ki tudná választani – több mint félúton átnyúlna az éjszakai égbolton. Ezeket a csillagokat régen kilökték egy gömb alakú csillaghalmazból; most a Tejútrendszer körül keringenek a halmaz két oldalán, az útja mögött és előtt inogva, mint a csillagközi csatornát jelző bóják.

Elemzésükben A GD-1-ben Bonaca csapata megtalálta a sötét anyag egy egymásba fonódó darabjának elméleti ujjlenyomatát. Pontosabban, a GD-1 egy része úgy tűnt kettéhasadt, mintha egy hatalmas, láthatatlan tárgy száguldott volna át az ösvényen, és csillagokat vonzott volna a nyomába. Kiszámításuk szerint ez az elhaladó objektum egy sötét anyag szubhalo lehetett, amely néhány millió naptömeget nyomott – így a legkisebb feltételezett sötétanyag-rögért is pályázik, és potenciális veszélyt jelenthet a meleg sötét anyag pirítósabb változataira. .

De hogyan alakítsunk át egyetlen eredményt valami statisztikaibb adattá? Bonaca szerint mostanra a csillagászok körülbelül 100 csillagfolyamot írtak le. Bár csak néhányat vizsgáltak meg részletesen, mindegyiknek megvannak a maga szokatlan törései és hajlásai, amelyek a hasonlóan kicsi, sötét tárgyakkal való gravitációs találkozásból származhatnak. De a megfigyelések még nem meggyőzőek.

„Úgy gondolom, hogy a legjobb út az előrehaladás az, ha egyidejűleg elemezzük a patakokat, hogy megértsük, mennyi [e szokatlan jellemzőkből] származik a sötét anyagból” – mondta.

Még kisebb léptékben Walker, a Carnegie Mellonban, az elmúlt egy évben törpegalaxisok JWST-megfigyeléseit pásztázta, hogy felkutassa a legsérülékenyebb csillagrendszereket: olyan kettőscsillagokat, amelyek nagyon távol vannak egymástól, és laza gravitációs ölelkezésben tartanak össze. Ha a kis sötét fényudvarok – az olyan objektumok, amelyekről a hideg sötét anyag modelljei szerint rengetegnek kell lenniük – folyamatosan elhaladnak mellettük, és gravitációs erőt fejtenek ki a környezetükre, akkor ezek a nagyon széles binárisok nem létezhetnek. De ha széles binárisok jelennek meg, az arra utal, hogy nincsenek jelen kis sötét fényudvarok – ez testcsapást mér a sok hideg sötét anyag modellre, amelyek megjósolják ezeket.

„Ez az, amit én a szubgalaktikus sötét anyag fényudvarja elleni keresésnek nevezek” – mondta Walker.

Mozgás a falakban

A kozmikus árnyékok keresése még mindig csak egy kis része annak a nagyobb erőfeszítésnek, hogy felderítsünk valamit, ami eddig elérhetetlenné vált. Földi kísérletek, amelyek célja olyan részecskék befogása, amelyek illeszkednek a homályos, meleg és hideg sötét anyag paradigmáihoz; a csapatok még mindig keresik a sötét anyag fizikájának egyéb jellegzetességeit, a melléktermékektől, amelyek akkor keletkeznek, ha és amikor a részecskék kölcsönhatásba lépnek a normál anyaggal, egészen addig a finom kérdésig, hogy a sötét anyag sűrűsége hogyan emelkedik és csökken a sötét glóriákon belül, ami attól függ, hogy a sötét részecskék hogyan hatnak egymásra. egymással.

Tracy Slatyer, a Massachusetts Institute of Technology elméleti fizikusa a sötét anyag rejtélyét egy hatalmas dobozként képzeli el, amely tele van számtalan lehetőséggel, de csak egy helyes választ tartalmaz. Ebben a hasonlatban az a stratégiája, hogy mélyen belevág ebbe a dobozba konkrét, cáfolható elképzelésekkel a sötét anyag részecskéinek tulajdonságairól. A doboz oldalai azonban az egyetlen igaz behatárolható tényt képviselnek a csillagászok, mint például a sötét anyag melegségének felső határait, illetve a homályos – vagy könnyű súlyú – alsó határait.

Ha a csillagászok magabiztosan észlelnék a teljesen sötét kozmikus objektumokat a napmilliós tömegű tartományban, az „megfigyelési túra lenne” – mondta Slatyer. – Hihetetlen lenne. Dobozának falai befelé mozdulnának, csökkentve a lehetőségek számára rendelkezésre álló helyet.

A közelgő technológia hamarosan átalakíthatja ezeket a különféle kereséseket a korai sötétben történő szúrásoktól az univerzumot körülvevő árnyékos struktúrákba való mélyebb betörésekké. A JWST a következő években elmélyíti a gravitációs lencsék tanulmányozását; Nierenberg csoportja például nyolc ilyen rendszerrel kezdett, de azt tervezi, hogy végül 31-et fog elemezni. Amikor 2027-ben elindul, a Nancy Grace római űrteleszkóp, egy sokkal szélesebb látómezővel rendelkező Hubble-minőségű obszervatórium, sokkal könnyebbé teszi a törpegalaxisok pásztázását, ahogy Walker teszi. A Vera C. Rubin Obszervatórium, amelyet az úttörő csillagászról neveztek el, akinek megfigyelései arra kényszerítették a kutatókat, hogy először is komolyan vegyék a sötét anyag rejtélyét, és amint 2024-ben Chiléből megkezdi a megfigyeléseket, további részleteket fog feltárni a csillagfolyamokról. A két obszervatórium együtt több ezer új gravitációs lencsét kell felmutatnia, amelyekből sötét alépítményeket lehet kifürkészni.

Eddig egyik megfigyelés sem döntötte meg a népszerű hideg sötét anyag modelleket, amelyek azt jósolják, hogy az univerzum egyre kisebb csomókkal van tele. Miközben a csillagászok folytatják e csomók kifésülésének fárasztó munkáját, sok teoretikus és kísérletező azt reméli, hogy a Földön végzett részecskefizikai kísérlet sokkal gyorsabban érinti a rejtély lényegét. De feltárni ezeket az elszigetelt sötétség-zsebeket – és minden, az őket kísérő bonyolult fizikát – olyan, mintha „tisztább laboratóriumot kapnánk” – mondta Slatyer. – Izgalmas időben vagyunk.