I en monsterstjernes lys, et snev av mørke | Quanta Magazine

I oktober i fjor, da James Webb-romteleskopet strålte ned sine første lange eksponeringer av himmelen nær stjernebildet Eridanus, begynte astronomer å sette sammen historien om et svakt, flimrende lyspunkt som så ut til å dukke opp fra de dypeste fordypningene i universet.

Uansett hva det var, glimtet det for lenge til å være en supernova; en enkelt stjerne var også av bordet. "Det føles som om du sannsynligvis er i en av disse CSI-filmene, at du er en detektiv," sa José María Diego, en astrofysiker ved Institute of Physics of Cantabria i Spania som jobbet med å tyde signalet. "Du har mange mistenkte på bordet, og du må eliminere [dem] en etter en."

Diego og kollegene hans rapporterte nylig at den svake lysflekken ser ut til å komme fra et ekstremt stjernesystem de ga kallenavnet Mothra - et par supergigantiske stjerner som i sin storhetstid, for hele 10 milliarder år siden, overstrålede nesten alt annet i galaksen deres.

På den tiden var hele universet yngre enn jorden er nå; planeten vår begynte først å smelte sammen etter at Mothra-fotonene hadde nådd halvveis i sin kosmiske reise til en verden som ville utvikle et gigantisk infrarødt-følsomt romteleskop akkurat i tide til å fange lyset deres. Å oppdage lys som sendes ut av individuelle stjernesystemer som for lenge siden pleide å være umulig. Men Mothra, oppkalt etter et kaiju-monster inspirert av silkemøll, er bare den siste i en nyere rekke av de eldste noensinne, lengst noensinne, bare generelt superlative stjernesystemer som astronomer har funnet i bilder fra JWST og Hubble-romteleskopet. Og i en vri, mens Mothra og dens dyriske brødre er spennende astrofysiske objekter i seg selv, er det som begeistrer Diego mest at monsterstjernenes lys ser ut til å avsløre en helt annen klasse av objekter som flyter mellom den og jorden: en ellers usynlig klumpen av mørk materie som han og kollegene regnet ut veier mellom 10,000 2.5 og XNUMX millioner ganger solens masse.

Hvis et slikt objekt virkelig eksisterer - en foreløpig konklusjon for nå - kan det hjelpe fysikere å begrense teoriene sine om mørk materie og kanskje, bare kanskje, løse mysteriet med universets uforklarlige masse.

Fra og med 2023 har laboratoriearbeidet for å tråle etter individuelle mørk materiepartikler blitt tomt, noe som etterlater noen astrofysikere med den dystre pragmatiske mistanken om at den eneste måten mennesker kan sette skyvelære på det mystiske stoffet kan være å studere gravitasjonseffekten på det bredere universet. Så Diegos team og andre leter etter spøkelsesaktige konturer av mørke objekter i kosmos. De håper å identifisere de minste klumpene av mørk materie som finnes - som igjen avhenger av den grunnleggende fysikken til selve mørk materiepartikkelen. Men klumper av ren mørk materie presenterer seg ikke bare for astronomer; team bruker observasjonstriks for å lokke slike skygger fra skygger. Nå fokuserer astronomer på kosmiske fenomener som spenner fra romforvrengende gravitasjonslinser - den typen usynlig, mørk materiedominert forstørrelsesglass som avslørte Mothra - til flagrende, båndlignende strømmer av stjerner mye nærmere hjemmet. Så langt har denne innsatsen utelukket mange varianter av et populært sett med modeller kalt "varm mørk materie."

"Du kan ikke røre mørk materie," sa Anna Nierenberg, en astrofysiker ved University of California, Merced som leter etter mørke interstellare klatter med JWST. Men finne små strukturer laget av det? "Det er så nærme du ville komme."

Halo, Halo, Halo

Det lille vi vet om mørk materie finnes i vage, uklare konturer. Flere tiår med bevis har antydet at enten teorier om gravitasjon er ufullstendige, eller, som astrofysikere oftere hevder, en mørk materiepartikkel hjemsøker universet. I en klassisk observasjon så det ut til at stjerner raste rundt i utkanten av galakser som om de ble holdt i et langt sterkere gravitasjonsgrep enn synlig materie skulle tilsi. Ved å måle bevegelsene til disse stjernene og bruke andre teknikker som identifiserer områder i rommet med ekstra tyngde, kan astronomer visualisere hvordan universets mørke materie er fordelt på større skalaer.

"Hvis vi hadde briller med mørk materie," sa Nierenberg, rundt hver galakse ville vi sannsynligvis se "en stor, uklar, utvidet, vannmelonformet struktur som er mye større enn selve galaksen." For vår egen Melkevei anslår astronomer at denne diffuse, mørke kokongen - kalt en halo - veier omtrent en billion solmasser og er mer enn 10 ganger bredere enn galaksens spiralskive av stjerner.

Zoom inn til mindre skalaer, og vitenskapelig sikkerhet bryter sammen. Er Melkeveiens mørk materie-glorie et glatt skjær? Eller er det ordnet i klumper, kalt sub-haloer? Og i så fall, hvilke størrelser er disse klumpene?

Svarene kan tillate forskere å identifisere mørk materies sanne natur. Modeller av hvordan universet utviklet sin nåværende struktur - et kosmisk nett, vevd av perleskimrende galakser - forutsier at mørk materiepartikler, uansett hva de er, samlet seg til små, gravitasjonsbundne klumper i løpet av de første hundre tusen årene etter Big Bang. Mange av disse klumpene slo seg sammen og trakk til slutt inn synlig materie. De vokste til frøene til galakser. Men noen av de minste mørke gloriene som ikke smeltet sammen burde fortsatt eksistere som "rester av strukturdannelse i det tidlige universet," sa Ethan Nadler, en astrofysiker ved Carnegie Observatories og University of South California. "Som en tidsmaskin."

Å finne og veie disse relikvieklumpene vil hjelpe fysikere med å stramme grepet om den grunnleggende fysikken til mørk materie - inkludert massen til den mystiske partikkelen og dens "temperatur", et noe misvisende begrep som beskriver hastigheten som skyer av individuelle partikler glider rundt.

En av de ledende mistenkte i mysteriet med mørk materie er kald mørk materie, en klasse modeller der de skyldige er relativt tunge og trege partikler; ett eksempel er en svakt interagerende massiv partikkel, eller WIMP. Hvis disse teoriene er riktige, ville slike partikler lett ha slått seg ned i selvgraviterende klumper i det tidlige universet, hvorav noen kan ha vært så små som en jordmasse. I dag bør disse dvelende mini-haloene av mørk materie fortsatt være i drift innenfor og rundt den større kollektive haloen av galakser som Melkeveien.

Men hvis lysere mørk materie partikler gikk raskere gjennom det tidlige kosmos, som en konkurrerende klasse av "varm" mørk materie modeller antyder, kunne bare større klumper med en heftigere gravitasjonskraft ha blitt dannet. Disse modellene antyder at det er en grense for mørk materiestrukturer, en minimumsmasse under hvilken haloer ikke eksisterer. Så hver gang noen oppdager en ny, minste kjente mørk glorie (som den påståtte mellom Jorden og Mothra), blir teoretikere tvunget til å utelukke stadig kjøligere scenarier.

En annen populær klasse av modeller, kalt fuzzy mørk materie, antar bare en hvisking av en mørk materie partikkel - kanskje 10²⁸ ganger lettere enn et elektron. Hypotetiske partikler kalt aksioner, for eksempel, kan være i dette størrelsesområdet og også relativt kalde. Disse fjærvektene ville oppføre seg mer som bølger enn partikler, som bølger over galakser. Som varm mørk materie ville ikke denne bølgelignende inkarnasjonen danne gravitasjonsbundne klumper på masseskalaer som er mindre enn galakser. Men ultralett mørk materie ville ha en annen forklaring. Når bølger av uklar mørk materie slår seg mot hverandre i en glorie, kan de danne mindre interferensmønstre kalt granuler - kornete områder der mørk materietetthet er høyere - som vil gi deres egen målbare gravitasjonssignatur.

Å utelukke noen av disse teoriene krever å finne - eller påfallende ikke å finne - mørk materie-glorier med lavere og lavere masse. Søket startet med å identifisere de mest diminutive gloriene som er kjent for å svøpe dverggalakser, mørk materieklumper som fortsatt veier hundrevis av millioner av solmasser, og den jobber seg nå inn i det ukjente. Problemet er imidlertid at disse hypotetiske små mørke gloriene sannsynligvis mangler gravitasjonskraften som trengs for å tiltrekke seg vanlig materie og tenne stjerner. De kan ikke sees direkte - de er litt mer enn tunge skygger. "Jakten har pågått etter bevis," sa Matthew Walker, en astrofysiker ved Carnegie Mellon University. "Det er bare vanskelig å finne."

Leksjoner fra linser

Dagens mest avanserte søk etter små, mørke sub-halos piggyback på et nesten mirakuløst fenomen: gravitasjonslinser. Forutsagt av Einstein er gravitasjonslinser områder med forvrengt romtid som omgir et massivt objekt. Objektets gravitasjonsfelt – linsen – forvrenger og fokuserer bakgrunnslyset på omtrent samme måte som et forstørrelsesglass kan forstørre bildet av en maur eller konsentrere sollys nok til å tenne bål.

Hver linsejustering involverer en lyskilde som skinner fra de fjerne kystene av universet, og selve linsen. Ofte er disse linsene massive galakser eller galaksehoper som forvrider rom-tid og tilfeldigvis er på linje, ved en kosmisk tilfeldighet, mellom den fjerne kilden og Jorden. Linser produserer en rekke optiske effekter, fra lysbuer til flere kopier av den samme bakgrunnskilden til svært forstørrede bilder av objekter som ellers ville vært altfor langt unna å se.

Det var bare ved å fiske gjennom det linseformede kosmos at astronomer i 2017 fotograferte Icarus, en stjerne som brant sterkt for rundt 9 milliarder år siden. Nylig fant de den nesten 13 milliarder år gamle Earendel, den nåværende rekordholderen for den eldste stjernen, som kaster like mye lys av seg selv som 1 million soler. De så også Godzilla, en monstrøst energisk fjernstjerne gjennomgår et eksplosivt utbrudd, og Godzillas medmonster Mothra, som ser ut til å være en lignende type variabelt objekt. ("Og ja, vi har det gøy med dette," sa Diego om teamets navneprosess.)

Men gravitasjonslinser er ikke bare portaler til den andre siden av universet. Mørk materiejegere har lenge ansett linsene som minst like interessante som det de forstørrer. De nøyaktige måtene linsen forvrider og forvrenger bakgrunnsbildet på, tilsvarer hvordan massen er fordelt i og rundt linsegalaksen eller klyngen. Hvis mørk materie eksisterer i små stjerneløse klumper innenfor det kjente mønsteret av glorier i galaksestørrelse - vel, da bør astronomer også kunne se lys som bøyer seg rundt disse klumpene.

De minste mørke gloriene som er oppdaget gjennom denne metoden, konkurrerer allerede med de minste haloene som er målt rundt dverggalakser. I 2020 brukte et team inkludert Nierenberg Hubble-romteleskopet og Keck-observatoriet på Hawai'i for å se på forstørrede bilder av kvasarer - brennende lysfyr som sendes ut av materie som faller ned i sorte hull - og funnet bevis for mørke glorier så små som hundrevis av millioner av solmasser. Det er den samme grove halostørrelsen assosiert med de minste galaksene, et nivå av statistisk samsvar som Nadler, i en studie publisert året etter, brukt til å utelukke modeller av varm mørk materie som består av partikler som er lettere enn omtrent 1/50 av et elektron, der slike små klumper aldri kunne dannes.

I år brukte to lag i mellomtiden linsede kvasarer for å se etter korn av uklare, fjærvektige mørk materiepartikler - korn som ville dannes gjennom en prosess som ligner på den som får krusninger til å dukke opp på overflaten av et svømmebasseng, ifølge førsteforfatteren av en av disse studiene, Devon Powell fra Max Planck Institute for Astrophysics. "Du får denne veldig kaotiske, klumpete fordelingen av saken," sa han. "Det er bare bølgeinterferens."

Teamets analyse, publisert i juni i Månedlige kunngjøringer fra Royal Astronomical Society, fant ikke bevis for bølgelignende mørk materie-effekter i høyoppløselige bilder av lysbuer fra én gravitasjonslinse, noe som tyder på at den mørke partikkelen må være tyngre enn de minste uklare kandidatene. Men en aprilstudie i Naturstjernen, ledet av Alfred Amruth fra University of Hong Kong, så på fire linsekopier av en bakgrunnskvasar og kom til motsatt konklusjon: En linse laget av uklar mørk materie, hevdet de, bedre forklart små svingninger i dataene deres. (Motstridende funn ville ikke være helt overraskende gitt at de forventede signalene er subtile og den eksperimentelle tilnærmingen er ny, forteller eksperter utenfor begge lag Quanta.)

Nierenberg og hennes kolleger har i mellomtiden brukt det siste året på å bruke JWST for å observere gravitasjonslinser som forstørrer kvasarer, med det foreløpige målet om å publisere sin første analyse i september. I teorien beregner de at JWSTs evne til å avdekke småskalastruktur i linser skulle avsløre om mørke glorier eksisterer som fullstendig usynlige, stjerneløse klumper med et størrelsesområde på titalls millioner solmasser. I så fall vil disse gloriene pålegge den sterkeste begrensning ennå på hvor "varm" mørk materie kan være.

Denne enda nyere metoden for å se på ekstreme, fjerne stjerner som Mothra gjennom gravitasjonslinser kan snart gå fra å identifisere engangs kuriositeter til å bli en vanlig del av astronomi i JWST-tiden. Hvis Diego og kollegene hans har rett, og de kan se Mothra fordi den blir linset av en mørk materieklump som veier færre enn noen få millioner solmasser, vil denne observasjonen alene utelukke et bredt utvalg av modeller av varm mørk materie. Men den vil fortsatt støtte både kald og uklar mørk materie, selv om den i det siste tilfellet – der den ekstra forstørrelsen til Mothra kommer fra et tett granulat av mørk materie i stedet for en gravitasjonsbundet klump – fortsatt vil tvinge uklar mørk materie inn i et smalt område av mulige masser.

Astronomer avdekker mange flere linsestjerner med Hubble og JWST, sa Diego, og holder øye med andre unormale optiske forvrengninger som kan komme fra stjernelys som bøyer seg rundt små mørke objekter. "Vi begynner akkurat å skrape i overflaten," sa han. "Jeg tar ikke mye ferie i disse dager."

Mørke øyer i en strøm av stjerner

Andre søk etter små glorier av mørk materie er fokusert på mye nærmere stjerner - de i streamers nær Melkeveien, og binære stjerner i nærliggende dverggalakser. I 2018, Ana Bonaca, nå astrofysiker ved Carnegie Observatories, løp for å laste ned data fra European Space Agencys Gaia-romfartøy, som måler bevegelsene til nesten 2 milliarder stjerner i Melkeveien. Bonaca sorterte gjennom de første observasjonene og isolerte informasjonen fra stjerner som tilhørte en struktur kalt GD-1. Det hun så var "umiddelbart superspennende," sa hun. "Vi skyndte oss å skrive en oppgave i løpet av den neste uken eller så."

GD-1 er en stjernestrøm, en løs streng med Melkeveisstjerner som – hvis du kunne plukke den ut med det blotte øye – ville strekke seg mer enn halvveis over nattehimmelen. Disse stjernene ble kastet ut fra en kuleformet stjernehop for lenge siden; de går nå i bane rundt Melkeveien på hver side av den klyngen, og vipper bak og foran banen som bøyer som markerer en interstellar kanal.

I deres analyse av GD-1 fant Bonacas team det teoretiske fingeravtrykket til en sammenflettet mengde mørk materie. Nærmere bestemt virket en del av GD-1 delt i to som om en massiv usynlig gjenstand hadde tullet gjennom stien og trukket stjerner i kjølvannet. Det forbipasserende objektet, beregnet de, kan ha vært en mørk materie-sub-halo som veier noen få millioner solmasser - noe som gjør den også til en konkurrent for den minste antatte mørk materie-klumpen, og en potensiell trussel mot de toastere variantene av varm mørk materie .

Men hvordan konvertere et enkelt funn til noe mer statistisk? Nå, sa Bonaca, har astronomer skildret rundt 100 stjernestrømmer. Mens bare en håndfull har blitt studert i detalj, har hver av dem som har blitt gransket sine egne uvanlige knekker og bøyninger som kan komme fra gravitasjonsmøter med lignende små, mørke objekter. Men observasjonene er ikke avgjørende ennå.

"Jeg tror den beste veien videre er å analysere strømmer samtidig," sa hun, "for å forstå hvor mye av [disse uvanlige trekkene] som kommer fra mørk materie."

På enda mindre skalaer har Walker, ved Carnegie Mellon, brukt det siste året på å skanne JWST-observasjoner av dverggalakser på leting etter de mest skjøre stjernesystemene han kan finne: binære stjerner som er veldig langt fra hverandre og holdt sammen i en løs gravitasjonsfavnelse. Hvis små mørke glorier - den typen objekter som modeller for kald mørk materie sier burde være rikelig - kontinuerlig passerer forbi og utøver gravitasjonskraft på omgivelsene, burde disse veldig brede binære filene ikke eksistere. Men hvis brede binære filer dukker opp, tyder det på at små mørke glorier ikke er tilstede - å slå et kroppsslag mot de mange modellene av kalde mørk materie som forutsier dem.

"Det er det jeg kaller et anti-søk etter subgalaktiske mørk materie glorier," sa Walker.

Moving in the Walls

Jakten på kosmiske skygger er fortsatt en liten del av en større innsats for å finne frem noe som så langt har svirret utenfor rekkevidde. Jordbaserte eksperimenter designet for å fange partikler som passer til de uklare, varme og kalde mørke materieparadigmene fortsetter; team leter fortsatt etter andre kjennetegn ved mørk materiefysikk, fra biprodukter produsert hvis og når partiklene samhandler med normal materie, til det subtile spørsmålet om hvordan mørk materies tetthet stiger og faller innenfor mørke haloer, som avhenger av hvordan de mørke partiklene samhandler. med hverandre.

Tracy Slatyer, en teoretisk fysiker ved Massachusetts Institute of Technology, visualiserer mysteriet med mørk materie som en enorm boks full av utallige muligheter, men med bare ett riktig svar. I denne analogien er strategien hennes å skjære dypt inn i den boksen med spesifikke, motbeviselige ideer om egenskapene til mørk materiepartikler. Sidene av boksen representerer imidlertid de eneste sanne begrensende fakta astronomer kan gi, for eksempel øvre grenser for hvor varm mørk materie kan være, og nedre grenser for hvor uklar - eller lett - den kan være.

Hvis astronomer trygt kunne oppdage fullstendig mørke kosmiske objekter i området av millioner av solmasser, ville det være en "observasjonstour de force," sa Slatyer. "Det ville vært utrolig." Veggene i boksen hennes ville bevege seg innover, og krympe plassen tilgjengelig for muligheter.

Kommende teknologi kan snart forvandle disse forskjellige søkene fra tidlige stikk i mørket til dypere forsøk inn i de skyggefulle strukturene som omgir universet. JWST vil utdype studiet av gravitasjonslinser i de kommende årene; Nierenbergs gruppe har for eksempel startet med åtte slike systemer, men planlegger å analysere 31 av dem etter hvert. Når det lanseres i 2027, skulle Nancy Grace Roman Space Telescope, et observatorium av Hubble-grad med et mye bredere synsfelt, gjøre det mye lettere å panorere gjennom dverggalakser slik Walker gjør. Vera C. Rubin-observatoriet, oppkalt etter den banebrytende astronomen hvis observasjoner tvang forskere til å ta mysteriet med mørk materie på alvor, vil avsløre flere detaljer om stjernestrømmer når det begynner å observere fra Chile i 2024. Sammen vil de to observatoriene bør dukke opp tusenvis av nye gravitasjonslinser som kan letes etter mørke understrukturer.

Så langt har ingen av observasjonene veltet de populære modellene av kald mørk materie, som spår at universet er strødd med mindre og mindre klumper av stoffet. Mens astronomer fortsetter det utmattende arbeidet med å gre etter disse klumpene, håper mange teoretikere og eksperimentelle at et partikkelfysikkeksperiment på jorden vil skjære seg til hjertet av mysteriet mye raskere. Men å avdekke disse isolerte mørkelommene - og all intrikat fysikk som følger med dem - er som å "få et renere laboratorium," sa Slatyer. – Vi er inne i en spennende tid.