În lumina unei stele monstru, un indiciu de întuneric | Revista Quanta

În octombrie anul trecut, când telescopul spațial James Webb a emis primele expuneri lungi ale cerului în apropierea constelației Eridanus, astronomii au început să pună cap la cap povestea unui punct de lumină slab, pâlpâit, care părea să iasă din cele mai adânci adâncituri ale universului.

Oricare ar fi fost, a strălucit prea mult timp pentru a fi o supernovă; o singură stea, de asemenea, era de pe masă. „Se pare că probabil că ești într-unul dintre aceste filme CSI, că ești detectiv”, a spus José María Diego, un astrofizician la Institutul de Fizică din Cantabria din Spania care a lucrat la descifrarea semnalului. „Aveți o mulțime de suspecți pe masă și trebuie să-i eliminați unul câte unul.”

Diego și colegii săi au raportat recent că pata slabă de lumină pare să provină din un sistem stelar extrem au poreclit Mothra – o pereche de stele supergigant care, în perioada lor de glorie, cu 10 miliarde de ani în urmă, au eclipsat aproape orice altceva în galaxia lor.

La acea vreme, întregul univers era mai tânăr decât este acum Pământul; planeta noastră a început să se unească abia după ce fotonii Mothra au ajuns la jumătatea drumului în călătoria lor cosmică către o lume care avea să dezvolte un telescop spațial uriaș, sensibil la infraroșu, tocmai la timp pentru a le capta lumina. Detectarea luminii emise de sisteme stelare individuale care cu mult timp în urmă era imposibilă. Dar Mothra, numită după un monstru kaiju inspirat de moliile de mătase, este doar cel mai recent dintr-un șir recent de cele mai vechi, mai îndepărtate și în general superlative sisteme stelare pe care astronomii le-au găsit în imaginile de la JWST și telescopul spațial Hubble. Și într-o întorsătură, în timp ce Mothra și frații săi bestiali sunt obiecte astrofizice intrigante în sine, ceea ce îl entuziasmează cel mai mult pe Diego este că lumina stelelor monstru pare să dezvăluie o clasă foarte diferită de obiecte care plutesc între ea și Pământ: un alt mod invizibil. bobul de materie întunecată pe care el și colegii săi l-au calculat cântărește între 10,000 și 2.5 milioane de ori masa soarelui.

Dacă un astfel de obiect există într-adevăr - o concluzie preliminară pentru moment - ar putea ajuta fizicienii să-și restrângă teoriile despre materia întunecată și poate, poate, să rezolve misterul masei inexplicabile a universului.

Începând cu 2023, eforturile de laborator de a căuta particule individuale de materie întunecată au rămas goale, lăsând unii astrofizicieni cu suspiciunea pragmatică că singurul mod în care oamenii pot pune șublete pe substanța misterioasă ar putea fi studierea efectelor gravitaționale asupra universului mai larg. Deci, echipa lui Diego și alții caută contururile fantomatice ale obiectelor întunecate din cosmos. Ei speră să identifice cele mai mici aglomerări de materie întunecată care există - care, la rândul lor, depinde de fizica de bază a particulei de materie întunecată în sine. Dar bulgări de materie întunecată pură nu se prezintă doar astronomilor; echipele folosesc trucuri de observație pentru a atrage astfel de umbre din umbre. Acum, astronomii se concentrează asupra fenomenelor cosmice, de la lentilele gravitaționale care deformează spațiul – genul de lupă invizibilă, dominată de materia întunecată, care a dezvăluit Mothra – până la fluturi fluturatoare, sub formă de panglici, mult mai aproape de casă. Până acum, aceste eforturi au exclus multe variante ale unui set popular de modele numit „materie întunecată caldă”.

„Nu poți atinge materia întunecată”, a spus Anna Nierenberg, un astrofizician la Universitatea din California, Merced, care caută pete interstelare întunecate cu JWST. Dar găsiți structuri mici făcute din ea? „Asta e cât de aproape ai fi.”

Halo, Halo, Halo

Ce puține știm despre materia întunecată există în contururi vagi, neclare. Decenii de dovezi au sugerat că fie teoriile gravitației sunt incomplete, fie, așa cum susțin mai frecvent astrofizicienii, o particulă de materie întunecată bântuie universul. Într-o observație clasică, stelele păreau să alerge în jurul periferiei galaxiilor ca și cum ar fi ținute într-o strângere gravitațională mult mai puternică decât ar sugera materia vizibilă. Măsurând mișcările acestor stele și aplicând alte tehnici care identifică regiunile spațiului cu greutate suplimentară, astronomii pot vizualiza modul în care materia întunecată a universului este distribuită la scari mai mari.

„Dacă am avea ochelari de protecție cu materie întunecată”, a spus Nierenberg, în jurul fiecărei galaxii am vedea probabil „o structură mare, neclară, extinsă, în formă de pepene, care este mult mai mare decât galaxia în sine”. Pentru propria noastră Calea Lactee, astronomii estimează că acest cocon difuz, întunecat – numit aureolă – cântărește aproximativ un trilion de mase solare și este de peste 10 ori mai lat decât discul spiral de stele al galaxiei.

Măriți la scară mai mică, totuși, iar certitudinea științifică se distruge. Este aureola de materie întunecată din Calea Lactee un smear neted? Sau este aranjat în aglomerări, numite sub-halouri? Și dacă da, ce dimensiuni au acele bulgări?

Răspunsurile ar putea permite oamenilor de știință să identifice adevărata natură a materiei întunecate. Modelele cu privire la modul în care universul și-a evoluat structura actuală – o rețea cosmică, țesută de șiruri sidefate de galaxii – prezic că particulele de materie întunecată, oricare ar fi ele, s-au adunat în aglomerări mici, legate gravitațional în primele câteva sute de mii de ani după Big Bang. Multe dintre aceste aglomerări s-au contopit și în cele din urmă au atras materia vizibilă. Acestea au crescut în semințele galaxiilor. Dar unele dintre cele mai mici halouri întunecate care nu s-au fuzionat ar trebui să existe în continuare ca „rămășițe ale formării structurii în universul timpuriu”, a spus Ethan Nadler, astrofizician la Observatorii Carnegie și la Universitatea din California de Sud. „Cam o mașină a timpului.”

Găsirea și cântărirea acestor aglomerații de relicve i-ar ajuta pe fizicieni să-și întărească stăpânirea asupra fizicii de bază a materiei întunecate - inclusiv masa particulei misterioase și „temperatura” acesteia, un termen oarecum înșelător care descrie viteza cu care norii de particule individuale se învârt.

Unul dintre principalii suspecți în misterul materiei întunecate este materia întunecată rece, o clasă de modele în care vinovații sunt particule relativ grele și lente; un exemplu este o particulă masivă care interacționează slab sau WIMP. Dacă aceste teorii ar fi corecte, astfel de particule s-ar fi instalat cu ușurință în aglomerări autogravitatoare în universul timpuriu, dintre care unele ar fi putut fi la fel de mici ca masa Pământului. Astăzi, aceste mini-halouri persistente de materie întunecată ar trebui să fie încă în derivă în interiorul și în jurul haloului colectiv mai mare al galaxiilor precum Calea Lactee.

Dar dacă particulele de materie întunecată mai ușoare ar trece prin cosmosul timpuriu mai repede, așa cum sugerează o clasă concurentă de modele de materie întunecată „caldă”, s-ar fi putut forma doar aglomerații mai mari, cu o atracție gravitațională mai puternică. Aceste modele sugerează că există o limită pentru structurile materiei întunecate, o masă minimă sub care nu există halouri. Deci, ori de câte ori cineva descoperă o nouă aureolă întunecată, cea mai mică cunoscută (cum ar fi cel pretins dintre Pământ și Mothra), teoreticienii sunt forțați să excludă scenarii din ce în ce mai reci.

O altă clasă populară de modele, numită materie întunecată fuzzy, presupune doar o șoaptă a unei particule de materie întunecată - poate 10²⁸ de ori mai ușor decât un electron. Particulele ipotetice numite axioni, de exemplu, ar putea fi în acest interval de dimensiuni și, de asemenea, relativ reci. Aceste greutăți-pene s-ar comporta mai mult ca niște valuri decât particule, ondulandu-se peste galaxii. La fel ca materia întunecată caldă, această încarnare sub formă de undă nu ar forma aglomerări legate gravitațional pe scale de masă mai mici decât galaxiile. Dar materia întunecată ultrauşoară ar avea un alt semn. Pe măsură ce valurile de materie întunecată neclară se întâlnesc unul împotriva celuilalt într-un halou, ele ar putea forma modele de interferență mai mici numite granule - regiuni cu aspect granulat în care densitatea materiei întunecate este mai mare - care le-ar conferi propria semnătură gravitațională măsurabilă.

Excluderea unora dintre aceste teorii necesită găsirea – sau în mod evident negăsirea – halourilor de materie întunecată cu masă din ce în ce mai mică. Căutarea a început prin identificarea celor mai mici halouri cunoscute pentru a înfășura galaxii pitice, aglomerări de materie întunecată care încă cântăresc sute de milioane de mase solare, iar acum se îndreaptă spre necunoscut. Problema, totuși, este că aceste ipotetice mici halouri întunecate probabil nu nu au puterea gravitațională necesară pentru a atrage materia obișnuită și a aprinde stelele. Nu pot fi văzute direct - sunt puțin mai mult decât umbre grele. „S-a început vânătoarea de dovezi”, a spus Matthew Walker, astrofizician la Universitatea Carnegie Mellon. „Este doar greu de găsit.”

Lecții din lentile

Cele mai avansate căutări din ziua de azi pentru sub-halouri mici, întunecate, pe un fenomen aproape miraculos: lentilele gravitaționale. Prevăzute de Einstein, lentilele gravitaționale sunt regiuni de spațiu-timp deformate care înconjoară un obiect masiv. Câmpul gravitațional al acelui obiect – lentila – distorsionează și concentrează lumina de fundal în același mod în care o lupă poate mări imaginea unei furnici sau poate concentra lumina soarelui suficient pentru a aprinde un foc.

Fiecare aliniere a lentilelor implică o sursă de lumină care strălucește de pe țărmurile îndepărtate ale universului și lentila în sine. Adesea, aceste lentile sunt galaxii masive sau grupuri de galaxii care deformează spațiu-timp și se întâmplă să fie aliniate, din întâmplare cosmică, între acea sursă îndepărtată și Pământ. Lentilele produc o gamă largă de efecte optice, de la arcuri de lumină la mai multe copii ale aceleiași surse de fundal până la imagini foarte mărite ale obiectelor care altfel ar fi mult prea departe pentru a fi văzute.

Doar pescuind prin cosmosul cu lentile, în 2017, astronomii au fotografiat Icar, o stea care a ars strălucitor acum aproximativ 9 miliarde de ani. Mai recent, au găsit-o pe Earendel, în vârstă de aproape 13 miliarde de ani, actualul deținător al recordului pentru cea mai veche stea, care aruncă la fel de multă lumină de la sine ca 1 milion de sori. Ei au văzut și pe Godzilla, o stea îndepărtată monstruos de energică suferind o explozie explozivă, și colegul monstr al lui Godzilla, Mothra, care pare a fi un tip similar de obiect variabil. ("Și da, ne distrăm cu asta", a spus Diego despre procesul de numire al echipei sale.)

Dar lentilele gravitaționale nu sunt doar portaluri către cealaltă parte a universului. Vânătorii de materie întunecată au considerat de mult lentilele cel puțin la fel de interesante ca ceea ce măresc. Modalitățile precise în care lentila deformează și distorsionează imaginea de fundal corespund modului în care masa este distribuită în și în jurul galaxiei sau grupului de lentile. Dacă materia întunecată există în aglomerări mici fără stele în cadrul modelului cunoscut de halouri de dimensiunea unei galaxii - ei bine, atunci, astronomii ar trebui să poată vedea și lumina curbându-se în jurul acelor aglomerări.

Cele mai mici halouri întunecate detectate prin această metodă rivalizează deja cu cele mai mici halouri măsurate în jurul galaxiilor pitice. În 2020, o echipă, inclusiv Nierenberg, a folosit telescopul spațial Hubble și Observatorul Keck din Hawaii pentru a vedea imagini mărite ale quasarilor - faruri de lumină aprinse emise de materia care cade în găurile negre - și au găsit dovezi pentru halouri întunecate mici ca sute de milioane de mase solare. Aceasta este aceeași dimensiune aproximativă a halou asociată cu cele mai mici galaxii, un nivel de acord statistic pe care Nadler, în un studiu publicat în anul următor, folosit pentru a exclude modelele de materie întunecată caldă formate din particule mai ușoare de aproximativ 1/50 dintr-un electron, în care astfel de aglomerații minuscule nu s-ar putea forma niciodată.

Între timp, în acest an, două echipe au folosit quasari cu lentile pentru a căuta granule de particule de materie întunecată neclare, cu greutate redusă - granule care s-ar forma printr-un proces similar cu cel care face să apară ondulații pe suprafața unei piscine, potrivit primului autor. a unuia dintre aceste studii, Devon Powell al Institutului Max Planck pentru Astrofizică. „Aveți această distribuție foarte haotică și nebuloasă a problemei”, a spus el. „Este doar interferența undelor.”

Analiza echipei sale, publicată în iunie în Avize lunare ale Royal Astronomical Society, nu a găsit dovezi pentru efecte de materie întunecată ca undă în imagini de înaltă rezoluție ale arcurilor de lumină de la o lentilă gravitațională, sugerând că particulele întunecate trebuie să fie mai grele decât cele mai mici candidați neclare. Dar un studiu din aprilie în Natura Astronomie, condus de Alfred Amruth de la Universitatea din Hong Kong, s-au uitat la patru copii cu lentile ale unui quasar de fundal și au ajuns la concluzia opusă: o lentilă făcută din materie întunecată neclară, au susținut ei, mai bine explicat mici fluctuații ale datelor lor. (Descoperirile contradictorii nu ar fi cu totul surprinzătoare, având în vedere că semnalele așteptate sunt subtile și abordarea experimentală este nouă, spun experții din afara ambelor echipe Cuante.)

Nierenberg și colegii ei, între timp, și-au petrecut ultimul an folosind JWST pentru a observa lentile gravitaționale care măresc quasarii, cu scopul tentativ de a publica prima lor analiză în septembrie. Teoretic, ei calculează că capacitatea lui JWST de a descoperi o structură la scară mică în lentile ar trebui să dezvăluie dacă halourile întunecate există ca niște aglomerări complet invizibile, fără stele, cu o gamă de dimensiuni de zeci de milioane de mase solare. Dacă da, acele halouri ar impune cea mai puternică constrângere de până acum asupra cât de „caldă” poate fi materia întunecată.

Această metodă și mai nouă de a privi stelele extreme și îndepărtate, cum ar fi Mothra, prin lentile gravitaționale, ar putea trece în curând de la identificarea curiozităților unice la a deveni o caracteristică obișnuită a astronomiei în era JWST. Dacă Diego și colegii săi au dreptate și o pot vedea pe Mothra, deoarece este reflectată de un aglomerat de materie întunecată care cântărește mai puțin de câteva milioane de mase solare, doar acea observație ar exclude o gamă largă de modele calde de materie întunecată. Dar ar suporta în continuare atât materia întunecată rece, cât și cea neclară, deși în ultimul caz - în care mărirea suplimentară a lui Mothra provine dintr-o granulă densă de materie întunecată în loc de un aglomerat legat gravitațional - ar forța în continuare materia întunecată neclară într-un interval îngust. a maselor posibile.

Astronomii descoperă mult mai multe stele cu lentile cu Hubble și JWST, a spus Diego, ținând un ochi pentru alte distorsiuni optice anormale care ar putea veni din lumina stelelor care se îndoaie în jurul obiectelor mici întunecate. „Tocmai începem să zgâriem suprafața”, a spus el. „Nu îmi iau prea multe vacanțe zilele astea.”

Insule întunecate într-un flux de stele

Alte căutări pentru halouri mici de materie întunecată se concentrează pe stelele mult mai apropiate - cele din streamer-uri din apropierea Căii Lactee și stele binare din galaxiile pitice din apropiere. În 2018, Ana Bonaca, acum astrofizician la Observatorii Carnegie, a alergat pentru a descărca date de pe sonda spațială Gaia a Agenției Spațiale Europene, care măsoară mișcările a aproape 2 miliarde de stele din Calea Lactee. Bonaca a sortat aceste observații inițiale și a izolat informațiile din stele aparținând unei structuri numite GD-1. Ceea ce a văzut a fost „imediat super interesant”, a spus ea. „Ne-am grăbit să scriem o lucrare în săptămâna următoare sau cam așa ceva.”

GD-1 este un flux stelar, un șir liber de stele din Calea Lactee care – dacă l-ai putea deosebi cu ochiul liber – s-ar întinde pe mai mult de jumătatea cerului nopții. Aceste stele au fost ejectate dintr-un grup de stele globulare cu mult timp în urmă; acum orbitează Calea Lactee de ambele părți ale acelui cluster, legănându-se în spatele și înaintea traseului său ca niște geamanduri care marchează un canal interstelar.

În analiza lor din GD-1, echipa lui Bonaca a găsit amprenta teoretică a unei bucăți intercalate de materie întunecată. Mai exact, o parte din GD-1 părea împărțită în două, ca și cum un obiect masiv invizibil ar fi gafat pe traseu, trăgând stele în urma lui. Acest obiect care trece, au calculat ei, ar fi putut fi un sub-halo de materie întunecată cântărind câteva milioane de mase solare - făcându-l, de asemenea, un candidat pentru cel mai mic pâlc presupus de materie întunecată și o potențială amenințare pentru variantele mai toaste ale materiei întunecate calde. .

Dar cum se transformă o singură constatare în ceva mai statistic? Până acum, a spus Bonaca, astronomii au făcut o cronică a aproximativ 100 de fluxuri stelare. Deși doar câteva au fost studiate în detaliu, fiecare dintre ele care a fost analizată are propriile îndoituri și îndoituri neobișnuite care pot proveni din întâlnirile gravitaționale cu obiecte la fel de mici și întunecate. Dar observațiile nu sunt încă concludente.

„Cred că cea mai bună cale de urmat este să analizăm fluxurile simultan”, a spus ea, „pentru a înțelege cât de mult [aceste caracteristici neobișnuite] provine din materia întunecată”.

La o scară și mai mică, Walker, de la Carnegie Mellon, și-a petrecut ultimul an scanând observațiile JWST ale galaxiilor pitice în căutarea celor mai fragile sisteme stelare pe care le poate găsi: stele binare care sunt foarte îndepărtate și ținute împreună într-o îmbrățișare gravitațională liberă. Dacă micile halouri întunecate - tipurile de obiecte despre care modelele de materie întunecată rece spun că ar trebui să fie abundente - trec continuu și exercită atracție gravitațională asupra mediului înconjurător, aceste binare foarte largi nu ar trebui să existe. Dar dacă apar binare largi, asta sugerează că nu sunt prezente mici halouri întunecate - lovindu-se o lovitură corporală împotriva numeroaselor modele de materie întunecată rece care le prezic.

„Este ceea ce eu numesc o anti-căutare a halourilor subgalactice de materie întunecată”, a spus Walker.

Mișcarea în ziduri

Căutarea umbrelor cosmice este încă o mică parte dintr-un efort mai amplu de a identifica ceva care până acum nu a ajuns la îndemână. Experimentele pe Pământ, concepute pentru a capta particulele care s-ar potrivi cu paradigmele de materie întunecată neclară, caldă și rece; echipele încă caută alte semne distinctive ale fizicii materiei întunecate, de la produse secundare produse dacă și când particulele interacționează cu materia normală, până la întrebarea subtilă a modului în care densitatea materiei întunecate crește și scade în halourile întunecate, care depinde de modul în care particulele întunecate interacționează. unul cu altul.

Tracy Slatyer, un fizician teoretician la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, vizualizează misterul materiei întunecate ca o cutie vastă plină de nenumărate posibilități, dar care deține un singur răspuns corect. În această analogie, strategia ei este să pătrundă adânc în acea cutie cu idei specifice, dezbătute, despre proprietățile particulelor de materie întunecată. Cu toate acestea, părțile laterale ale cutiei reprezintă singurele fapte limitate adevărate pe care astronomii le pot oferi, cum ar fi limitele superioare ale cât de caldă poate fi materia întunecată și limitele inferioare ale cât de neclară - sau ușoară - poate fi.

Dacă astronomii ar putea detecta cu încredere obiecte cosmice complet întunecate în intervalul de milioane de masă solară, acesta ar fi un „tur de forță observațional”, a spus Slatyer. „Ar fi incredibil.” Pereții cutiei ei s-ar muta spre interior, micșorând spațiul disponibil pentru posibilități.

Tehnologia viitoare ar putea transforma în curând aceste diverse căutări de la înjunghierea timpurie în întuneric în incursiuni mai profunde în structurile întunecate care înconjoară universul. JWST își va aprofunda studiul asupra lentilelor gravitaționale în următorii ani; Grupul lui Nierenberg, de exemplu, a început cu opt astfel de sisteme, dar intenționează să analizeze în cele din urmă 31 dintre ele. Când se lansează în 2027, telescopul spațial roman Nancy Grace, un observator de calitate Hubble cu un câmp vizual mult mai larg, ar trebui să faciliteze explorarea galaxiilor pitice așa cum face Walker. Observatorul Vera C. Rubin, numit după astronomul pionier ale cărui observații i-au forțat pe cercetători să ia în serios misterul materiei întunecate, va dezvălui mai multe detalii despre fluxurile stelare odată ce va începe să observe din Chile în 2024. Împreună, cele două observatoare ar trebui să apară mii de lentile gravitaționale noi care pot fi curățate pentru substructuri întunecate.

Până acum, niciuna dintre observații nu a răsturnat modelele populare de materie întunecată rece, care prevăd că universul este presărat cu aglomerări din ce în ce mai mici de chestii. Pe măsură ce astronomii continuă munca obositoare de a pieptăna aceste grămadă, mulți teoreticieni și experimentați speră că un experiment de fizică a particulelor pe Pământ va atinge inima misterului mult mai repede. Dar descoperirea acestor buzunare izolate de întuneric – și orice fizică complicată care le însoțește – este ca „a obține un laborator mai curat”, a spus Slatyer. „Suntem într-un moment interesant.”