W świetle gwiazdy potwora odrobina ciemności | Magazyn Quanta

W październiku ubiegłego roku, gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykonał pierwsze długie zdjęcia nieba w pobliżu konstelacji Eridanus, astronomowie zaczęli składać w całość historię słabego, migoczącego punktu światła, który zdawał się wyłaniać z najgłębszych zakamarków wszechświata.

Cokolwiek to było, świeciło zbyt długo, aby być supernową; pojedyncza gwiazda również nie pojawiła się na stole. „Wydaje się, że prawdopodobnie grasz w jednym z filmów CSI, że jesteś detektywem” – powiedział José María Diego, astrofizyk z Instytutu Fizyki w Kantabrii w Hiszpanii, który pracował nad rozszyfrowaniem sygnału. „Masz wielu podejrzanych na stole i musisz ich eliminować jeden po drugim”.

Diego i jego współpracownicy niedawno poinformowali, że wydaje się, że pochodzi stąd słaba smuga światła ekstremalny układ gwiezdny nazwali Mothra – parę nadolbrzymów, które w okresie swojej świetności, pełne 10 miliardów lat temu, przyćmiły prawie wszystko inne w ich galaktyce.

W tamtym czasie cały wszechświat był młodszy niż Ziemia obecnie; nasza planeta zaczęła się łączyć dopiero, gdy fotony Mothry osiągnęły połowę swojej kosmicznej podróży do świata, w którym w samą porę powstanie gigantyczny teleskop kosmiczny wrażliwy na podczerwień, aby złapać ich światło. Wykrywanie światła emitowanego przez poszczególne układy gwiezdne, co dawno temu było niemożliwe. Jednak Mothra, nazwana na cześć potwora kaiju inspirowanego ćmami jedwabnymi, jest najnowszym z niedawnego ciągu najstarszych w historii, najdalszych w historii i ogólnie znakomitych układów gwiezdnych, które astronomowie odkryli na zdjęciach z JWST i Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. I w pewnym sensie, podczas gdy Mothra i jej bestialscy bracia są same w sobie intrygującymi obiektami astrofizycznymi, Diego najbardziej ekscytuje to, że światło potwornych gwiazd zdaje się ujawniać zupełnie inną klasę obiektów unoszących się pomiędzy nią a Ziemią: w przeciwnym razie niewidzialny grudka ciemnej materii, którą on i jego współpracownicy obliczyli, waży od 10,000 2.5 do XNUMX miliona mas Słońca.

Jeśli taki obiekt naprawdę istnieje – na razie wstępny wniosek – może pomóc fizykom zawęzić ich teorie na temat ciemnej materii i być może, być może, rozwiązać zagadkę niewyjaśnionej masy Wszechświata.

Od 2023 r. wysiłki laboratoryjne mające na celu poszukiwanie poszczególnych cząstek ciemnej materii zakończyły się niepowodzeniem, co pozostawiło niektórych astrofizyków z ponurym pragmatycznym podejrzeniem, że jedynym sposobem, w jaki ludzie mogą ocenić tajemniczą substancję, może być zbadanie jej wpływu grawitacyjnego na szerszy wszechświat. Dlatego zespół Diego i inni szukają widmowych konturów ciemnych obiektów w kosmosie. Mają nadzieję zidentyfikować najmniejsze istniejące skupiska ciemnej materii – co z kolei zależy od podstawowej fizyki samej cząstki ciemnej materii. Ale grudki czystej ciemnej materii pojawiają się nie tylko astronomom; zespoły używają sztuczek obserwacyjnych, aby wydobyć takie cienie z cieni. Teraz astronomowie skupiają się na zjawiskach kosmicznych, począwszy od zakrzywiających przestrzeń soczewek grawitacyjnych – rodzaju niewidzialnego szkła powiększającego zdominowanego przez ciemną materię, które odsłoniło Mothrę – po trzepoczące, przypominające wstęgi strumienie gwiazd znacznie bliżej domu. Jak dotąd wysiłki te wykluczyły wiele wariantów popularnego zestawu modeli zwanych „ciepłą ciemną materią”.

„Nie można dotknąć ciemnej materii” – powiedział Anna Nierenberg, astrofizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced, który za pomocą JWST poszukuje ciemnych plam międzygwiazdowych. Ale znalezienie z tego małych konstrukcji? „To tak blisko, jak to tylko możliwe”.

Halo, halo, halo

To, co niewiele wiemy o ciemnej materii, istnieje w postaci niejasnych, rozmytych konturów. Dowody zebrane przez dziesięciolecia sugerują, że albo teorie grawitacji są niekompletne, albo, jak częściej twierdzą astrofizycy, cząstka ciemnej materii nawiedza wszechświat. W jednej z klasycznych obserwacji gwiazdy zdawały się ścigać wokół obrzeży galaktyk, jakby były trzymane w znacznie silniejszym uścisku grawitacyjnym, niż sugerowałaby to widoczna materia. Mierząc ruchy tych gwiazd i stosując inne techniki identyfikujące obszary przestrzeni o większej masie, astronomowie mogą zwizualizować rozkład ciemnej materii Wszechświata w większych skalach.

„Gdybyśmy mieli gogle ciemnej materii” – powiedział Nierenberg, wokół każdej galaktyki prawdopodobnie widzielibyśmy „dużą, rozmytą, rozciągniętą strukturę w kształcie arbuza, która jest znacznie większa niż sama galaktyka”. W przypadku naszej Drogi Mlecznej astronomowie szacują, że ten rozproszony, ciemny kokon – nazywany halo – waży w przybliżeniu bilion mas Słońca i jest ponad 10 razy szerszy niż spiralny dysk gwiazd galaktyki.

Powiększ jednak skalę do mniejszych rozmiarów, a pewność naukowa załamie się. Czy halo ciemnej materii Drogi Mlecznej jest gładką plamą? A może jest ułożony w skupiska zwane sub-aureolami? A jeśli tak, to jakiej wielkości są te grudki?

Odpowiedzi mogą pozwolić naukowcom poznać prawdziwą naturę ciemnej materii. Modele ewolucji Wszechświata w swojej obecnej strukturze – kosmicznej sieci utkanej z perłowych sznurów galaktyk – przewidują, że cząstki ciemnej materii, czymkolwiek są, zebrały się w małe, związane grawitacyjnie skupiska w ciągu pierwszych kilkuset tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Wiele z tych skupisk połączyło się i ostatecznie wciągnęło widoczną materię. Wyrosły z nich nasiona galaktyk. Jednak niektóre z najmniejszych ciemnych halo, które się nie połączyły, powinny nadal istnieć jako „pozostałości po formowaniu się struktur we wczesnym wszechświecie” – stwierdził. Ethana Nadlera, astrofizyk w Obserwatoriach Carnegie i Uniwersytecie Południowej Kalifornii. „To trochę jak wehikuł czasu”.

Znalezienie i zważenie tych reliktowych skupisk pomogłoby fizykom lepiej poznać podstawową fizykę ciemnej materii – w tym masę tajemniczej cząstki i jej „temperaturę” – nieco mylące określenie opisujące prędkość, z jaką poruszają się chmury pojedynczych cząstek.

Jednym z głównych podejrzanych w zagadce ciemnej materii jest zimna ciemna materia – klasa modeli, w których winowajcami są stosunkowo ciężkie i powolne cząstki; jednym z przykładów jest słabo oddziałująca cząstka masywna (WIMP). Jeśli te teorie są słuszne, takie cząstki z łatwością utworzyłyby samograwitujące grudki we wczesnym Wszechświecie, z których część mogła być tak mała jak masa Ziemi. Dzisiaj te utrzymujące się minihalo ciemnej materii powinny nadal dryfować wewnątrz i wokół większego zbiorowego halo galaktyk, takich jak Droga Mleczna.

Gdyby jednak jaśniejsze cząstki ciemnej materii szybciej przemierzały wczesny kosmos, jak sugeruje konkurencyjna klasa „ciepłych” modeli ciemnej materii, mogłyby powstać jedynie większe skupiska o silniejszym przyciąganiu grawitacyjnym. Modele te sugerują, że istnieje granica dla struktur ciemnej materii, czyli minimalna masa, poniżej której nie ma aureoli. Zatem ilekroć ktoś odkryje nowe, najmniejsze znane ciemne halo (takie jak rzekome halo między Ziemią a Mothrą), teoretycy zmuszeni są wykluczać coraz chłodniejsze scenariusze.

Inna popularna klasa modeli, zwana rozmytą ciemną materią, zakłada zaledwie szept cząstki ciemnej materii – około 10²⁸ razy lżejszy od elektronu. Na przykład hipotetyczne cząstki zwane aksjonami mogą mieć tę wielkość i być stosunkowo zimne. Te piórkowe ciężarki zachowywałyby się bardziej jak fale niż cząsteczki, falujące w galaktykach. Podobnie jak ciepła ciemna materia, to falowe wcielenie nie utworzyłoby związanych grawitacyjnie skupisk w skalach mas mniejszych niż galaktyki. Ale ultralekka ciemna materia mogłaby powiedzieć coś innego. Gdy fale rozmytej ciemnej materii zderzają się ze sobą w halo, mogą tworzyć mniejsze wzory interferencyjne zwane granulami – ziarniste obszary, w których gęstość ciemnej materii jest większa – które nadawałyby swój własny mierzalny podpis grawitacyjny.

Wykluczenie niektórych z tych teorii wymaga znalezienia – lub widocznego braku – halo ciemnej materii o coraz mniejszej masie. Poszukiwania rozpoczęły się od zidentyfikowania najdrobniejszych znanych halo otaczających galaktyki karłowate – skupisk ciemnej materii, które wciąż ważą setki milionów mas Słońca, a obecnie zmierzają w nieznane. Problem polega jednak na tym, że tym hipotetycznym małym ciemnym halo prawdopodobnie brakuje siły grawitacyjnej potrzebnej do przyciągania regularnej materii i zapalania gwiazd. Nie można ich zobaczyć bezpośrednio – to niewiele więcej niż ciężkie cienie. „Rozpoczęło się poszukiwanie dowodów” – oznajmił Matthew Walker, astrofizyk z Carnegie Mellon University. „Po prostu trudno go znaleźć.”

Lekcje z soczewek

Najbardziej zaawansowane dzisiejsze poszukiwania małych, ciemnych subhalo opierają się na niemal cudownym zjawisku: soczewkowaniu grawitacyjnym. Przewidywane przez Einsteina soczewki grawitacyjne to obszary zakrzywionej czasoprzestrzeni otaczające masywny obiekt. Pole grawitacyjne tego obiektu – soczewka – zniekształca i skupia światło tła w podobny sposób, w jaki szkło powiększające może powiększyć obraz mrówki lub skoncentrować światło słoneczne na tyle, aby rozpalić ogień.

Każde ustawienie soczewkowania obejmuje źródło światła świecące z odległych krańców wszechświata oraz samą soczewkę. Często te soczewki to masywne galaktyki lub gromady galaktyk, które zakrzywiają czasoprzestrzeń i przypadkowo ustawiają się w jednej linii pomiędzy tym odległym źródłem a Ziemią. Soczewki wytwarzają szereg efektów optycznych, od łuków światła, przez wielokrotne kopie tego samego źródła tła, po bardzo powiększone obrazy obiektów, które w innym przypadku byłyby zbyt daleko, aby je zobaczyć.

W 2017 roku astronomowie sfotografowali jedynie łowiąc ryby w soczewkowanym kosmosie Icarus, gwiazda, która świeciła jasno około 9 miliardów lat temu. Niedawno odkryli liczącego prawie 13 miliardów lat Earendela, obecnego rekordzistę najstarszej gwiazdy, który rzuca tyle światła samo w sobie jako 1 milion słońc. Zauważyli także Godzillę, potwornie energetyczną odległą gwiazdę przechodzi wybuchi towarzysz Godzilli, Mothra, który wydaje się być obiektem zmiennym podobnego typu. („I tak, dobrze się tym bawimy” – powiedział Diego o procesie nadawania nazwy swojemu zespołowi.)

Ale soczewki grawitacyjne to nie tylko portale na drugą stronę wszechświata. Łowcy ciemnej materii od dawna uważają soczewki za co najmniej tak samo interesujące, jak to, co powiększają. Dokładny sposób, w jaki soczewka wypacza i zniekształca obraz tła, odpowiada rozkładowi masy w galaktyce lub gromadzie soczewkującej i wokół niej. Jeśli ciemna materia istnieje w małych bezgwiezdnych skupiskach w znanym układzie halo wielkości galaktyki, to astronomowie powinni być w stanie zobaczyć również światło załamujące się wokół tych skupisk.

Najmniejsze ciemne halo wykryte tą metodą już konkurują z najmniejszymi halo mierzonymi wokół galaktyk karłowatych. W 2020 roku zespół, w którym uczestniczył Nierenberg, wykorzystał Kosmiczny Teleskop Hubble'a i Obserwatorium Kecka na Hawajach, aby przyjrzeć się powiększonym obrazom kwazarów – płonących latarni świetlnych emitowanych przez materię wpadającą do czarnych dziur – oraz znalazł dowody na istnienie ciemnych halo o wielkości zaledwie setek milionów mas Słońca. To ten sam przybliżony rozmiar halo, jaki występuje w najmniejszych galaktykach, co stanowi poziom zgodności statystycznej, jaki stwierdził Nadler w badanie opublikowany w następnym roku, wykorzystany do wykluczenia modeli ciepłej ciemnej materii składających się z cząstek lżejszych niż około 1/50 elektronu, w których takie drobne grudki nigdy nie mogłyby się utworzyć.

Tymczasem w tym roku dwa zespoły wykorzystały soczewkowane kwazary do poszukiwania ziaren rozmytych, lekkich jak piórko cząstek ciemnej materii – ziaren, które powstałyby w procesie podobnym do tego, który powoduje pojawienie się zmarszczek na powierzchni basenu, według pierwszego autora jednego z tych badań, Devona Powella z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka. „Otrzymujemy bardzo chaotyczny, nierówny rozkład sprawy” – powiedział. „To po prostu interferencja fal”.

Analiza jego zespołu, opublikowana w czerwcu w Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego, nie znalazłem dowodów na falowe efekty ciemnej materii na obrazach łuków światła o wysokiej rozdzielczości z jednej soczewki grawitacyjnej, co sugeruje, że ciemna cząstka musi być cięższa od najmniejszych rozmytych kandydatów. Ale kwietniowe badanie w Natura Astronomia, prowadzone przez Alfreda Amrutha z Uniwersytetu w Hongkongu przyjrzeli się czterem soczewkowanym kopiom kwazara tła i doszli do przeciwnego wniosku: argumentowali, że soczewka zbudowana z rozmytej ciemnej materii lepiej wyjaśnione niewielkie wahania ich danych. (Sprzeczne ustalenia nie byłyby całkowicie zaskakujące, biorąc pod uwagę, że oczekiwane sygnały są subtelne, a podejście eksperymentalne jest nowe, mówią eksperci spoza obu zespołów Quanta.)

Tymczasem Nierenberg i jej współpracownicy spędzili ostatni rok wykorzystując JWST do obserwacji soczewek grawitacyjnych powiększających kwazary, a wstępnym celem było opublikowanie pierwszej analizy we wrześniu. Teoretycznie obliczyli, że zdolność JWST do odkrywania drobnoskalowych struktur w soczewkach powinna ujawnić, czy ciemne aureole istnieją w postaci całkowicie niewidocznych, bezgwiezdnych skupisk o rozmiarach w zakresie dziesiątek milionów mas Słońca. Jeśli tak, te aureole nałożyłyby najsilniejsze jak dotąd ograniczenie na to, jak „ciepła” może być ciemna materia.

Ta jeszcze nowsza metoda patrzenia na ekstremalne, odległe gwiazdy, takie jak Mothra, przez soczewki grawitacyjne może wkrótce przestać identyfikować jednorazowe ciekawostki i stać się regularnym elementem astronomii w epoce JWST. Jeśli Diego i jego współpracownicy mają rację i widzą Mothrę, ponieważ jest ona soczewkowana przez skupisko ciemnej materii o masie mniejszej niż kilka milionów mas Słońca, sama ta obserwacja wykluczyłaby szeroki zakres modeli ciepłej ciemnej materii. Jednak nadal wspierałby zarówno zimną, jak i rozmytą ciemną materię, chociaż w tym drugim przypadku – gdzie dodatkowe powiększenie Mothry pochodzi z gęstej granulki ciemnej materii, a nie z skupiska związanej grawitacyjnie – nadal wypychałby rozmytą ciemną materię w wąski zakres możliwych mas.

Astronomowie odkrywają znacznie więcej soczewkowanych gwiazd za pomocą Hubble'a i JWST, powiedział Diego, zwracając uwagę na inne anomalne zniekształcenia optyczne, które mogą pochodzić od światła gwiazd załamującego się wokół małych ciemnych obiektów. „Dopiero zaczynamy drapać powierzchnię” – powiedział. „Obecnie nie biorę zbyt dużo urlopu”.

Ciemne wyspy w strumieniu gwiazd

Inne poszukiwania małych halo ciemnej materii skupiają się na znacznie bliższych gwiazdach – tych w strumieniach w pobliżu Drogi Mlecznej i gwiazdach podwójnych w pobliskich galaktykach karłowatych. W 2018 r. Ana Bonaca, obecnie astrofizyk w Obserwatoriach Carnegie, pośpieszył, aby pobrać dane ze statku kosmicznego Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, który mierzy ruchy prawie 2 miliardów gwiazd w Drodze Mlecznej. Bonaca uporządkował te wstępne obserwacje i wyodrębnił informacje z gwiazd należących do struktury zwanej GD-1. To, co zobaczyła, było „od razu niezwykle ekscytujące” – stwierdziła. „Pospieszyliśmy się z napisaniem artykułu w ciągu mniej więcej przyszłego tygodnia”.

GD-1 to strumień gwiazd, luźny sznur gwiazd Drogi Mlecznej, który – jeśli można go dostrzec gołym okiem – rozciągałby się na więcej niż połowę nocnego nieba. Gwiazdy te zostały dawno temu wyrzucone z gromady kulistej; krążą teraz wokół Drogi Mlecznej po obu stronach gromady, podskakując za i przed jej torem jak boje wyznaczające kanał międzygwiezdny.

W ich analizie GD-1 zespół Bonaki znalazł teoretyczny odcisk palca nakładającego się kawałka ciemnej materii. W szczególności część GD-1 wydawała się podzielona na dwie części, jakby masywny niewidzialny obiekt prześliznął się przez szlak, ciągnąc za sobą gwiazdy. Obliczyli, że ten przechodzący obiekt mógł być subhalo ciemnej materii o masie kilku milionów mas Słońca, co czyni go również pretendentem do najmniejszej przypuszczalnej grudki ciemnej materii i potencjalnym zagrożeniem dla bardziej palonych odmian ciepłej ciemnej materii .

Ale jak przekonwertować pojedyncze ustalenie na coś bardziej statystycznego? Do tej pory, jak stwierdził Bonaca, astronomowie zarejestrowali około 100 strumieni gwiazdowych. Chociaż szczegółowo zbadano tylko kilka z nich, każdy z nich ma swoje własne niezwykłe załamania i załamania, które mogą powstać w wyniku spotkań grawitacyjnych z podobnie małymi, ciemnymi obiektami. Ale obserwacje nie są jeszcze ostateczne.

„Myślę, że najlepszym rozwiązaniem jest jednoczesna analiza strumieni” – powiedziała – „aby zrozumieć, ile [tych niezwykłych cech] pochodzi z ciemnej materii”.

W jeszcze mniejszych skalach Walker w Carnegie Mellon spędził ostatni rok skanując obserwacje JWST galaktyk karłowatych w poszukiwaniu najbardziej delikatnych układów gwiazd, jakie może znaleźć: gwiazd podwójnych, które są bardzo daleko od siebie i są utrzymywane razem w luźnym uścisku grawitacyjnym. Jeśli małe ciemne aureole — rodzaje obiektów, których według modeli zimnej ciemnej materii powinno być mnóstwo — nieustannie przelatują obok i wywierają przyciąganie grawitacyjne na swoje otoczenie, te bardzo szerokie układy podwójne nie powinny istnieć. Jeśli jednak pojawią się szerokie układy podwójne, oznacza to, że nie ma małych ciemnych aureoli, co stanowi cios w ciało wielu modeli zimnej ciemnej materii, które je przewidują.

„Nazywam to przeciwdziałaniem poszukiwaniu halo subgalaktycznej ciemnej materii” – powiedział Walker.

Poruszanie się w ścianach

Poszukiwanie kosmicznych cieni to wciąż niewielka część większego wysiłku mającego na celu unieruchomienie czegoś, co do tej pory wymykało się poza zasięg. Trwają eksperymenty na Ziemi mające na celu wychwytywanie cząstek pasujących do paradygmatów rozmytej, ciepłej i zimnej ciemnej materii; zespoły wciąż szukają innych cech charakterystycznych fizyki ciemnej materii, począwszy od produktów ubocznych powstających w wyniku interakcji cząstek z normalną materią, po subtelne pytanie, w jaki sposób gęstość ciemnej materii wzrasta i spada w ciemnych aureolach, co zależy od interakcji ciemnych cząstek ze sobą.

Tracy Slatyer, fizyk teoretyczny z Massachusetts Institute of Technology, wizualizuje tajemnicę ciemnej materii jako ogromne pudełko pełne niezliczonych możliwości, ale zawierające tylko jedną właściwą odpowiedź. W tej analogii jej strategia polega na wniknięciu głęboko w to pudełko konkretnymi, dającymi się obalić poglądami na temat właściwości cząstek ciemnej materii. Jednak boki pudełka przedstawiają jedyne prawdziwe, ograniczające fakty, jakie mogą dostarczyć astronomowie, takie jak górna granica tego, jak ciepła może być ciemna materia, i dolna granica tego, jak rozmyta – lub lekka – może być.

Gdyby astronomowie byli w stanie z całą pewnością wykryć całkowicie ciemne obiekty kosmiczne w zakresie milionów mas Słońca, byłby to „obserwacyjny tour de force” – powiedział Slatyer. „To byłoby niesamowite.” Ściany jej pudełka przesunęłyby się do środka, zmniejszając przestrzeń dostępną dla możliwości.

Nadchodząca technologia może wkrótce przekształcić te różnorodne poszukiwania z wczesnych poszukiwań w ciemności w głębsze wyprawy do mrocznych struktur leżących u podstaw wszechświata. JWST w nadchodzących latach pogłębi badania nad soczewkami grawitacyjnymi; Na przykład grupa Nierenberga zaczęła od ośmiu takich systemów, ale ostatecznie planuje przeanalizować 31 z nich. Kiedy wystrzelony zostanie w 2027 r., Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace, obserwatorium klasy Hubble'a o znacznie szerszym polu widzenia, powinien znacznie ułatwić panoramowanie galaktyk karłowatych, tak jak robi to Walker. Obserwatorium Vera C. Rubin, nazwane na cześć pioniera astronoma, którego obserwacje zmusiły badaczy do poważnego potraktowania tajemnicy ciemnej materii, ujawni więcej szczegółów strumieni gwiazdowych, gdy rozpocznie obserwacje z Chile w 2024 r. Obydwa obserwatoria łącznie powinno odkryć tysiące nowych soczewek grawitacyjnych, które można przeszukać w poszukiwaniu ciemnych podstruktur.

Jak dotąd żadna z obserwacji nie obaliła popularnych modeli zimnej ciemnej materii, które przewidują, że Wszechświat jest usiany coraz mniejszymi skupiskami materii. W miarę jak astronomowie kontynuują wyczerpującą pracę przeczesywania tych grudek, wielu teoretyków i eksperymentatorów ma nadzieję, że eksperyment fizyki cząstek elementarnych na Ziemi znacznie szybciej dotrze do sedna tajemnicy. Jednak odkrycie tych izolowanych skupisk ciemności – i wszelkiej zawiłej fizyki, która im towarzyszy – jest jak „uzyskanie czystszego laboratorium” – powiedział Slatyer. „Jesteśmy w ekscytującym momencie”.