Este posibil ca stelele alimentate de materie întunecată să fi fost văzute de JWST – Physics World

Este posibil ca stelele alimentate de materie întunecată să fi fost văzute de JWST – Physics World

Marca temporală: 1 august 2023 9:00

Stele întunecate supermasive
Stele întunecate, nu galaxii: aceste trei obiecte au fost identificate inițial ca galaxii de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey. Acum, totuși, un trio de astronomi susțin că sunt de fapt stele întunecate supermasive. (Cu amabilitatea: NASA/ESA)

Un trio de astronomi americani a găsit dovezi convingătoare ale existenței „stelelor întunecate” – obiecte ipotetice alimentate de anihilarea materiei întunecate. Stelele întunecate ar putea explica abundența neașteptată a galaxiilor antice văzute de telescopul spațial James Webb (JWST).  Katherine Freese la Universitatea din Texas, Austin împreună cu Cosmin Ilie și Jillian Paulin de la Universitatea Colgate a folosit datele JWST pentru a concluziona că trei dintre aceste galaxii ar putea fi de fapt stele întunecate.

La mai puțin de doi ani de când au fost lansate primele imagini, JWST a schimbat deja înțelegerea astronomilor despre universul timpuriu. Printre cele mai surprinzătoare observații ale sale a fost numărul mare de galaxii antice, extrem de strălucitoare, care s-ar fi format în regiuni bogate în materie întunecată.

Materia întunecată este o substanță ipotetică care este invocată de fizicieni pentru a explica structura pe scară largă a universului. Deși nu a fost niciodată observat direct, este o parte a modelului standard actual de cosmologie - modelul lambda de materie întunecată rece (ΛCDM). Aceasta descrie structura și expansiunea universului, ținând cont în același timp de influența gravitațională a materiei întunecate.

Încălzirea materiei întunecate

În 2007, Freese și colegii au propus posibilitatea „stelelor întunecate”, care poate să fi fost obișnuit în universul timpuriu. Deși sunt compuse în principal din hidrogen și heliu, aceste stele exotice ar fi alimentate mai degrabă de „încălzirea materiei întunecate” decât de fuziunea nucleară. Acest lucru ar putea implica un tip de materie întunecată numită particule masive care interacționează slab (WIMP). WIMP-urile au evitat descoperirea timp de zeci de ani în experimentele de detectare pe Pământ, dar conform echipei lui Freese, densitatea absolută a materiei întunecate din universul timpuriu le-ar putea face să interacționeze mult mai frecvent cu materia obișnuită în timpul formării unora dintre cele mai timpurii stele.

În universul timpuriu, „WIMP-urile s-ar fi putut anihila în fotoni, perechi electron-pozitron și alte particule, care s-au ciocnit cu hidrogenul din norii care se prăbușesc”, explică Freese. „Aceste particule rămân apoi blocate în nor și depun toată energia din masa particulelor de materie întunecată în nor. Apoi, norul încetează să se prăbușească și, în schimb, se transformă într-o „stea întunecată”.

Stelele întunecate sunt stele în toate sensurile, în sensul că imensa gravitație a materialului lor rece, în cădere este perfect echilibrată de presiunea hidrostatică exterioară, generată de procesele de eliberare a energiei în interiorul lor. Cu toate acestea, Freese spune că au mai multe distincții cheie față de stelele obișnuite.

Răciți peste tot

„Nu au nuclee, spre deosebire de stelele alimentate prin fuziune, care au nevoie de temperaturi ridicate pentru ca fuziunea să aibă loc”, explică Freese. „Stelele întunecate sunt reci peste tot, inclusiv la suprafață, astfel încât să nu producă fotoni ionizanți sau vânturi care le-ar împiedica să acumuleze masă.”

Drept urmare, Freese și colegii susțin că stelele întunecate cresc în mărime la aproximativ 10 UA și milioane de mase solare. Acest lucru permite stelelor să atragă și mai multe particule de materie întunecată. În acest proces, o stea întunecată „supermasivă” (SMDS) poate deveni suficient de strălucitoare pentru a eclipsa o întreagă galaxie.

De obicei, galaxiile pot fi distinse cu ușurință de stele, deoarece ocupă regiuni extinse ale spațiului, în timp ce stelele apar ca puncte unice de lumină. Cu toate acestea, la distanțe atât de mari, chiar și JWST nu are o rezoluție suficient de mare pentru a distinge între stele și galaxii. Dacă Freese și colegii ei au dreptate, acest lucru ar sugera că galaxiile antice apar atât de numeroase în datele JWST, deoarece multe dintre ele sunt SMDS.

Linii de absorbție

Pentru a căuta dovezi ale SMDS-urilor, trio-ul a examinat datele din JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). În sondaj, ei au căutat dovezi că lumina la anumite lungimi de undă este absorbită de stelele candidate. În special, ei au fost interesați de linia de absorbție a heliului-II de 1640 nm, care este adesea observată în spectrele stelelor fierbinți și strălucitoare.

„O linie de absorbție a heliului II ar fi un pistol fumegând pentru o stea întunecată, deoarece galaxiile nu ar produce astfel de linii”, spune Freese. „Dacă se găsesc alte elemente decât hidrogen și heliu, atunci nu este o stea întunecată.”

În timp ce căutau cu JADES, au identificat mai multe obiecte care se potriveau îndeaproape cu criteriile lor SMDS. „Am descoperit că trei dintre ele se potrivesc bune cu SMDS”, continuă Freese. „Au spectrele potrivite, deși rezoluția detectorului încă nu poate spune dacă acestea sunt obiecte punctiforme sau extinse.”

În viitor, echipa speră că JWST va prelua candidați SMDS care au fost măriți de lentile gravitaționale – ceea ce poate crește rezoluția suficient de mare pentru a confirma că obiectele sunt într-adevăr puncte de lumină unice, mai degrabă decât galaxii extinse. „Dacă unele dintre aceste obiecte timpurii sunt stele întunecate în loc de galaxii, asta ar ajuta la menținerea coerenței observațiilor lui JWST cu modelul standard de cosmologie”, spune Freese.

În plus, această confirmare ar putea fi o descoperire majoră în înțelegerea noastră a naturii materiei întunecate și ar putea oferi dovezi suplimentare pentru existența WIMP-urilor.

Cercetarea este descrisă în Proceedings al Academiei Nationale de Stiinte.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii