Stjerner drevet av mørk materie kan ha blitt sett av JWST – Physics World

Stjerner drevet av mørk materie kan ha blitt sett av JWST – Physics World

Tidsstempel: 1. august 2023 kl.9: 00

Supermassive mørke stjerner
Mørke stjerner, ikke galakser: disse tre objektene ble opprinnelig identifisert som galakser av JWST Advanced Deep Extragalactic Survey. Nå hevder imidlertid en trio av astronomer at de faktisk er supermassive mørke stjerner. (Med tillatelse: NASA/ESA)

En trio av amerikanske astronomer har funnet overbevisende bevis for eksistensen av "mørke stjerner" - hypotetiske objekter drevet av utslettelse av mørk materie. Mørke stjerner kan forklare den uventede overfloden av eldgamle galakser sett av James Webb Space Telescope (JWST).  Katherine Freese ved University of Texas, Austin sammen med Cosmin Ilie og Jillian Paulin ved Colgate University brukte JWST-data for å konkludere med at tre av disse galaksene faktisk kan være mørke stjerner.

Mindre enn to år siden de første bildene ble utgitt, har JWST allerede endret astronomers forståelse av det tidlige universet. Blant de mest overraskende observasjonene har vært det store antallet ekstremt lyse, eldgamle galakser, som ville ha blitt dannet i områder rike på mørk materie.

Mørk materie er et hypotetisk stoff som påkalles av fysikere for å forklare universets storskalastruktur. Selv om det aldri har blitt observert direkte, er det en del av den nåværende standardmodellen for kosmologi - lambda-modellen for kald mørk materie (ΛCDM). Dette beskriver strukturen og utvidelsen av universet, samtidig som det står for gravitasjonspåvirkningen til mørk materie.

Oppvarming av mørk materie

I 2007, Freese og kolleger foreslo muligheten for "mørke stjerner", som kan ha vært vanlig i det tidlige universet. Selv om de hovedsakelig består av hydrogen og helium, vil disse eksotiske stjernene bli drevet av "oppvarming av mørkt materiale" i stedet for kjernefysisk fusjon. Dette kan innebære en type mørk materie som kalles svakt interagerende massive partikler (WIMPs). WIMP-er har unngått oppdagelse i flere tiår i jordbaserte deteksjonseksperimenter, men ifølge Freeses team kan den rene tettheten av mørk materie i det tidlige universet føre til at de interagerer mye oftere med vanlig materie under dannelsen av noen av de tidligste stjernene.

I det tidlige universet kunne "WIMPs ha utslettet til fotoner, elektron-positron-par og andre partikler, som kolliderte med hydrogenet i kollapsende skyer," forklarer Freese. «Disse partiklene setter seg så fast inne i skyen, og deponerer all energien fra massen av mørk materiepartiklene i skyen. Skyen slutter da å kollapse, og blir i stedet til en "mørk stjerne".

Mørke stjerner er stjerner på alle måter, ved at den enorme tyngdekraften til deres kalde, innfallende materiale er perfekt balansert av ytre hydrostatisk trykk, generert av energifrigjørende prosesser i deres indre. Likevel sier Freese at de har flere sentrale forskjeller fra vanlige stjerner.

Avkjøl hele veien

"De har ingen kjerner, i motsetning til fusjonsdrevne stjerner, som trenger høye temperaturer for at fusjon skal finne sted," forklarer Freese. "Mørke stjerner er kjølige overalt, inkludert på overflaten, slik at de ikke produserer ioniserende fotoner eller vinder som ville hindre dem i å samle masse."

Som et resultat hevder Freese og kolleger at mørke stjerner ballongerer i størrelse til rundt 10 AU, og millioner av solmasser. Dette gjør at stjernene kan trekke inn enda flere partikler av mørk materie. I prosessen kan en "supermassiv" mørk stjerne (SMDS) bli lys nok til å overstråle en hel galakse.

Vanligvis kan galakser lett skilles fra stjerner siden de tar opp utvidede områder av rommet, mens stjerner vises som enkeltlyspunkter. Men på så store avstander har ikke JWST en høy nok oppløsning til å skille mellom stjerner og galakser. Hvis Freese og hennes kolleger har rett, vil dette tyde på at gamle galakser forekommer så mange i JWSTs data fordi mange av dem er SMDS-er.

Absorpsjonslinjer

For å søke etter bevis på SMDS, undersøkte trioen data fra JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). I undersøkelsen så de etter bevis på at lys ved visse bølgelengder ble absorbert av kandidatstjerner. Spesielt var de interessert i 1640 nm helium-II-absorpsjonslinjen som ofte observeres i spektrene til varme, klare stjerner.

"En helium-II absorpsjonslinje ville være en rykende pistol for en mørk stjerne, siden galakser ikke ville produsere slike linjer," sier Freese. "Hvis det finnes andre elementer enn hydrogen og helium, er det ikke en mørk stjerne."

Mens de søkte med JADES, identifiserte de flere objekter som samsvarte nøye med SMDS-kriteriene deres. "Vi fant ut at tre av dem passer godt til SMDS-er," fortsetter Freese. "De har de riktige spektrene, selv om oppløsningen til detektoren ennå ikke kan fortelle om disse er punktobjekter eller utvidede objekter."

I fremtiden håper teamet at JWST vil plukke opp SMDS-kandidater som har blitt forstørret av gravitasjonslinser – noe som kan øke oppløsningen høy nok til å bekrefte at objektene faktisk er enkeltlyspunkter, i stedet for utvidede galakser. "Hvis noen av disse tidlige objektene er mørke stjerner i stedet for galakser, vil det bidra til å opprettholde konsistensen av JWSTs observasjoner med standardmodellen for kosmologi," sier Freese.

På toppen av dette kan denne bekreftelsen være et stort gjennombrudd i vår forståelse av naturen til mørk materie, og gi ytterligere bevis for eksistensen av WIMP-er.

Forskningen er beskrevet i Proceedings of National Academy of Sciences.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden