В свете чудовищной звезды — намек на тьму | Журнал Кванта

В октябре прошлого года, когда космический телескоп Джеймса Уэбба впервые провёл длительную съемку неба вблизи созвездия Эридана, астрономы начали собирать воедино историю о тусклой, мерцающей точке света, которая, казалось, появилась из самых глубоких уголков Вселенной.

Что бы это ни было, оно светилось слишком долго, чтобы быть сверхновой; ни одной звезды тоже не было со стола. «Такое ощущение, что ты, наверное, снимаешься в одном из этих фильмов CSI, что ты детектив», — сказал Хосе Мария Диего, астрофизик из Института физики Кантабрии в Испании, который работал над расшифровкой сигнала. «У вас на столе много подозреваемых, и вам придется устранять [их] одного за другим».

Диего и его коллеги недавно сообщили, что слабое пятно света, по-видимому, исходит от экстремальная звездная система они прозвали Мотрой — пару звезд-сверхгигантов, которые в период своего расцвета, целых 10 миллиардов лет назад, затмевали почти все остальное в своей галактике.

В то время вся Вселенная была моложе, чем Земля сейчас; Наша планета начала объединяться только после того, как фотоны Мотры достигли половины пути своего космического путешествия к миру, в котором будет создан гигантский инфракрасно-чувствительный космический телескоп как раз вовремя, чтобы уловить их свет. Обнаружение света, излучаемого отдельными звездными системами, раньше было невозможным. Но Мотра, названная в честь монстра-кайдзю, вдохновленного шелкопрядом, является лишь последней из недавней череды старейших, самых далеких и просто превосходных звездных систем, которые астрономы обнаружили на изображениях JWST и космического телескопа Хаббл. И, кстати, в то время как Мотра и ее чудовищные собратья сами по себе являются интригующими астрофизическими объектами, Диего больше всего волнует то, что свет звезд-монстров, кажется, раскрывает совсем другой класс объектов, плавающих между ней и Землей: невидимый в противном случае объект. сгусток темной материи, который, по расчетам он и его коллег, весит от 10,000 2.5 до XNUMX миллионов раз больше массы Солнца.

Если такой объект действительно существует (пока это предварительный вывод), он мог бы помочь физикам сузить свои теории о темной материи и, возможно, только возможно, разгадать тайну необъяснимой массы Вселенной.

По состоянию на 2023 год лабораторные усилия по поиску отдельных частиц темной материи оказались безрезультатными, в результате чего у некоторых астрофизиков осталось мрачное прагматичное подозрение, что единственный способ, которым люди могут измерить загадочное вещество, — это изучение его гравитационного воздействия на большую Вселенную. Итак, команда Диего и другие ищут призрачные очертания темных объектов в космосе. Они надеются идентифицировать мельчайшие существующие сгустки темной материи, что, в свою очередь, зависит от базовой физики самой частицы темной материи. Но куски чистой темной материи не просто так предстают перед астрономами; команды используют приемы наблюдения, чтобы выманить такие тени из теней. Теперь астрономы сосредотачиваются на космических явлениях, начиная от искажающих пространство гравитационных линз — своего рода невидимого увеличительного стекла с преобладанием темной материи, которое открыло Мотру — до трепещущих, лентообразных потоков звезд, находящихся гораздо ближе к дому. До сих пор эти усилия исключали многие варианты популярного набора моделей под названием «теплая темная материя».

«Вы не можете прикоснуться к темной материи», — сказал Анна Ниренберг, астрофизик из Калифорнийского университета в Мерседе, который ищет темные межзвездные пятна с помощью JWST. Но найти небольшие конструкции из него? «Это настолько близко, насколько это возможно».

Гало, Гало, Гало

То немногое, что мы знаем о темной материи, существует в смутных, размытых очертаниях. Накопленные десятилетиями доказательства позволяют предположить, что либо теории гравитации неполны, либо, как чаще всего утверждают астрофизики, частица темной материи преследует Вселенную. Согласно одному классическому наблюдению, звезды, казалось, мчались по окраинам галактик, словно находясь в гораздо более сильной гравитационной хватке, чем можно было бы предположить из видимой материи. Измеряя движение этих звезд и применяя другие методы, которые идентифицируют области пространства с дополнительным весом, астрономы могут визуализировать, как темная материя Вселенной распределяется в более крупных масштабах.

«Если бы у нас были очки темной материи», — сказал Ниренберг, — вокруг каждой галактики мы, вероятно, увидели бы «большую, нечеткую, протяженную структуру в форме арбуза, которая намного больше, чем сама галактика». Что касается нашего Млечного Пути, то, по оценкам астрономов, этот рассеянный темный кокон, называемый гало, весит примерно триллион солнечных масс и более чем в 10 раз шире, чем спиральный звездный диск галактики.

Однако при увеличении масштаба научная достоверность пошатнется. Является ли гало темной материи Млечного Пути гладким пятном? Или оно собрано в скопления, называемые субореолами? И если да, то какого размера эти комки?

Ответы могут позволить ученым определить истинную природу темной материи. Модели того, как Вселенная развивала свою нынешнюю структуру — космическую паутину, сотканную из перламутровых нитей галактик — предсказывают, что частицы темной материи, какими бы они ни были, собирались в маленькие, гравитационно связанные сгустки в течение первых нескольких сотен тысяч лет после Большого взрыва. Многие из этих сгустков слились и в конечном итоге втянули в себя видимую материю. Они выросли в семена галактик. Но некоторые из мельчайших темных ореолов, которые не слились, все еще должны существовать как «остатки структурообразования в ранней Вселенной», — сказал он. Итан Надлер, астрофизик из обсерваторий Карнеги и Университета Южной Калифорнии. «Что-то вроде машины времени».

Обнаружение и взвешивание этих реликтовых сгустков поможет физикам лучше понять основы физики темной материи, включая массу загадочной частицы и ее «температуру» — несколько вводящий в заблуждение термин, описывающий скорость, с которой кружатся облака отдельных частиц.

Одним из главных подозреваемых в загадке темной материи является холодная темная материя, класс моделей, в которых виновниками являются относительно тяжелые и медленные частицы; Одним из примеров является слабо взаимодействующая массивная частица, или вимп. Если эти теории верны, такие частицы легко могли бы образовать самогравитирующие сгустки в ранней Вселенной, некоторые из которых могли быть такими же маленькими, как масса Земли. Сегодня эти затянувшиеся мини-ореолы темной материи все еще должны дрейфовать внутри и вокруг более крупного коллективного гало галактик, таких как Млечный Путь.

Но если бы более легкие частицы темной материи проносились через ранний космос быстрее, как предполагает конкурирующий класс моделей «теплой» темной материи, могли бы образоваться только более крупные сгустки с более сильным гравитационным притяжением. Эти модели предполагают, что существует предел для структур темной материи, минимальная масса, ниже которой гало не существует. Поэтому всякий раз, когда кто-то обнаруживает новый, наименьший из известных темных гало (например, предполагаемый между Землей и Мотрой), теоретики вынуждены исключать все более крутые сценарии.

Другой популярный класс моделей, называемый нечеткой темной материей, предполагает наличие лишь небольшого количества частиц темной материи — около 10²⁸ раз легче электрона. Например, гипотетические частицы, называемые аксионами, могут находиться в этом диапазоне размеров и при этом быть относительно холодными. Эти полулегковешки будут вести себя скорее как волны, чем как частицы, колеблющиеся по галактикам. Подобно теплой темной материи, это волнообразное воплощение не будет образовывать гравитационно-связанные сгустки с массой меньше галактики. Но у сверхлегкой темной материи есть еще один аргумент. Когда волны нечеткой темной материи наталкиваются друг на друга внутри гало, они могут образовывать более мелкие интерференционные узоры, называемые гранулами — зернистые области, где плотность темной материи выше — которые будут передавать свою собственную измеримую гравитационную сигнатуру.

Чтобы исключить некоторые из этих теорий, необходимо найти — или явно не найти — гало темной материи со все меньшей и меньшей массой. Поиск начался с выявления самых крошечных гало, которые, как известно, окутывают карликовые галактики, сгустков темной материи, которые все еще весят сотни миллионов солнечных масс, и теперь они прокладывают свой путь в неизведанное. Проблема, однако, в том, что этим гипотетическим маленьким темным гало, вероятно, не хватает гравитационной силы, необходимой для притягивания обычной материи и воспламенения звезд. Их нельзя увидеть напрямую — они всего лишь тяжелые тени. «Ведется охота за доказательствами», — сказал Мэттью Уолкер, астрофизик из Университета Карнеги-Меллон. «Просто трудно найти».

Уроки линз

Самые продвинутые на сегодняшний день поиски маленьких темных субореолов связаны с почти чудесным явлением: гравитационным линзированием. Гравитационные линзы, предсказанные Эйнштейном, представляют собой области искривленного пространства-времени, окружающие массивный объект. Гравитационное поле этого объекта — линза — искажает и фокусирует фоновый свет почти так же, как увеличительное стекло может увеличить изображение муравья или сконцентрировать солнечный свет настолько, чтобы зажечь огонь.

Каждое выравнивание линз включает в себя источник света, сияющий с дальних берегов Вселенной, и саму линзу. Часто эти линзы представляют собой массивные галактики или скопления галактик, которые искажают пространство-время и по космической случайности оказываются между этим далеким источником и Землей. Линзы создают целый ряд оптических эффектов: от световых дуг до нескольких копий одного и того же источника фона до сильно увеличенных изображений объектов, которые в противном случае были бы слишком далеко, чтобы их можно было увидеть.

В 2017 году астрономы сфотографировали космос, только ловя рыбу в линзованном космосе. Icarus, звезда, которая ярко горела около 9 миллиардов лет назад. Совсем недавно они нашли Эарендель возрастом почти 13 миллиардов лет, нынешнего рекордсмена самой древней звезды, которая проливает столько же света сам по себе как 1 миллион солнц. Они также заметили Годзиллу, чудовищно энергичную далекую звезду. переживает взрывной взрыви монстр Годзиллы Мотра, который, похоже, представляет собой переменный объект аналогичного типа. («И да, нам это нравится», — сказал Диего о процессе присвоения имени своей команде.)

Но гравитационные линзы — это не просто порталы на другой конец Вселенной. Охотники за темной материей уже давно считают линзы не менее интересными, чем то, что они увеличивают. Точные способы, которыми линза искажает и искажает фоновое изображение, соответствуют тому, как масса распределяется внутри и вокруг линзирующей галактики или скопления. Если темная материя существует в виде небольших беззвездных сгустков внутри известной структуры гало размером с галактику — что ж, тогда астрономы также смогут увидеть свет, огибающий эти сгустки.

Самые маленькие темные гало, обнаруженные с помощью этого метода, уже конкурируют с самыми маленькими гало, измеренными вокруг карликовых галактик. В 2020 году команда, в которую входил Ниренберг, использовала космический телескоп Хаббл и обсерваторию Кека на Гавайях, чтобы рассмотреть увеличенные изображения квазаров — ярких маяков света, испускаемых материей, падающей в черные дыры, — и нашли доказательства существования темных гало размером в сотни миллионов солнечных масс. Это тот же примерный размер гало, что и у самых маленьких галактик, и это уровень статистического согласия, который Надлер в своей работе исследовании опубликованный в следующем году, использовался для исключения моделей теплой темной материи, состоящих из частиц легче примерно 1/50 электрона, в которых такие крошечные сгустки никогда не могли образоваться.

Тем временем в этом году две команды использовали линзированные квазары для поиска зерен нечетких, легких частиц темной материи — зерен, которые, по словам первого автора, формируются в результате процесса, подобного тому, который вызывает появление ряби на поверхности плавательного бассейна. одного из этих исследований, Девон Пауэлл Института астрофизики Макса Планка. «Вы получаете очень хаотичное, неравномерное распределение материи», — сказал он. «Это просто интерференция волн».

Анализ его команды, опубликованный в июне в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, не нашел доказательств волнообразные эффекты темной материи на изображениях световых дуг с высоким разрешением от одной гравитационной линзы, что позволяет предположить, что темная частица должна быть тяжелее самых маленьких нечетких кандидатов. Но апрельское исследование в Астрономия природы, во главе с Альфред Амрут из Университета Гонконга, изучили четыре линзированные копии фонового квазара и пришли к противоположному выводу: они утверждали, что линза состоит из нечеткой темной материи, лучше объяснил небольшие колебания в их данных. (Противоречивые результаты не были бы столь уж удивительными, учитывая, что ожидаемые сигналы являются тонкими, а экспериментальный подход является новым, говорят эксперты, не входящие в обе команды. Quanta.)

Тем временем Ниренберг и ее коллеги провели последний год, используя JWST для наблюдения гравитационных линз, которые увеличивают квазары, с предварительной целью опубликовать свой первый анализ в сентябре. Теоретически они подсчитали, что способность JWST обнаруживать мелкомасштабные структуры в линзах должна показать, существуют ли темные гало в виде полностью невидимых беззвездных сгустков с диапазоном размеров в десятки миллионов солнечных масс. Если это так, то эти гало наложат самое сильное ограничение на то, насколько «теплой» может быть темная материя.

Этот еще более новый метод наблюдения за экстремальными, далекими звездами, такими как Мотра, через гравитационные линзы может вскоре превратиться из выявления разовых диковинок в регулярную функцию астрономии в эпоху JWST. Если Диего и его коллеги правы и они могут видеть Мотру, потому что ее линзирует сгусток темной материи массой менее нескольких миллионов солнечных масс, то одно только это наблюдение исключит широкий спектр моделей теплой темной материи. Но она по-прежнему будет поддерживать как холодную, так и нечеткую темную материю, хотя в последнем случае — когда дополнительное увеличение Мотры происходит за счет плотной гранулы темной материи, а не гравитационно связанного сгустка — она все равно будет вытеснять нечеткую темную материю в узкий диапазон. возможных масс.

По словам Диего, астрономы откапывают гораздо больше линзированных звезд с помощью Хаббла и JWST, следя за другими аномальными оптическими искажениями, которые могут возникнуть из-за того, что звездный свет огибает небольшие темные объекты. «Мы только начинаем царапать поверхность», — сказал он. «Сейчас я не беру много отпуска».

Темные острова в потоке звезд

Другие поиски небольших гало темной материи сосредоточены на гораздо более близких звездах — звездах в стримах возле Млечного Пути и двойных звездах в близлежащих карликовых галактиках. В 2018 году Ана Бонака, ныне астрофизик обсерватории Карнеги, поспешил загрузить данные с космического корабля Gaia Европейского космического агентства, который измеряет движение почти 2 миллиардов звезд в Млечном Пути. Бонака отсортировал эти первоначальные наблюдения и выделил информацию от звезд, принадлежащих структуре под названием GD-1. То, что она увидела, было «сразу очень захватывающим», сказала она. «Мы поспешили написать статью примерно на следующей неделе».

GD-1 — это звездный поток, рыхлая вереница звезд Млечного Пути, которая — если бы вы могли различить ее невооруженным глазом — простиралась бы более чем на половину ночного неба. Эти звезды были выброшены из шарового звездного скопления давным-давно; теперь они вращаются вокруг Млечного Пути по обе стороны от этого скопления, раскачиваясь позади и впереди его пути, как буи, отмечающие межзвездный канал.

В своем анализе На GD-1 команда Бонаки обнаружила теоретический отпечаток пересекающегося куска темной материи. В частности, часть GD-1 казалась разделенной на две части, как будто массивный невидимый объект проскользнул по следу, увлекая за собой звезды. По их подсчетам, этот проходящий объект мог быть субгало темной материи массой в несколько миллионов солнечных масс, что делает его также претендентом на самый маленький предполагаемый сгусток темной материи и потенциальной угрозой для более поджаренных вариантов теплой темной материи. .

Но как преобразовать единичный результат во что-то более статистическое? К настоящему времени, по словам Бонаки, астрономы зафиксировали около 100 звездных потоков. Хотя детально изучены лишь немногие из них, каждый из них имеет свои необычные изгибы и изгибы, которые могут возникнуть в результате гравитационных столкновений с такими же маленькими темными объектами. Но наблюдения еще не окончательны.

«Я думаю, что лучший путь вперед — это одновременно анализировать потоки, — сказала она, — чтобы понять, какая часть [этих необычных особенностей] исходит от темной материи».

В еще меньших масштабах Уокер из Карнеги-Меллона провел последний год, сканируя наблюдения JWST за карликовыми галактиками в поисках самых хрупких звездных систем, которые он мог найти: двойных звезд, которые находятся очень далеко друг от друга и удерживаются вместе в слабых гравитационных объятиях. Если маленькие темные ореолы — объекты, которых, по мнению моделей холодной темной материи, должно быть много — постоянно проходят мимо и оказывают гравитационное притяжение на свое окружение, этих очень широких двойных систем не должно существовать. Но если широкие двойные системы действительно обнаруживаются, это говорит о том, что маленьких темных ореолов нет, что наносит серьезный удар по многочисленным моделям холодной темной материи, которые их предсказывают.

«Это то, что я называю антипоиском субгалактических ореолов темной материи», — сказал Уокер.

Перемещение в стенах

Поиск космических теней по-прежнему является лишь небольшой частью более масштабных усилий по обнаружению того, что до сих пор оставалось вне досягаемости. Начинаются наземные эксперименты, предназначенные для улавливания частиц, которые соответствуют парадигмам нечеткой, теплой и холодной темной материи; команды все еще ищут другие отличительные черты физики темной материи: от побочных продуктов, образующихся при взаимодействии частиц с нормальной материей, до тонкого вопроса о том, как плотность темной материи повышается и падает в темных ореолах, что зависит от того, как взаимодействуют темные частицы. друг с другом.

Трейси Слейер, физик-теоретик из Массачусетского технологического института, представляет загадку темной материи как огромную коробку, полную бесчисленных возможностей, но содержащую только один правильный ответ. В этой аналогии ее стратегия состоит в том, чтобы глубоко проникнуть в эту коробку с конкретными, опровергаемыми идеями о свойствах частиц темной материи. Однако стороны коробки представляют собой единственные истинные ограничивающие факты, которые могут предоставить астрономы, такие как верхние пределы того, насколько теплой может быть темная материя, и нижние пределы того, насколько нечеткой — или легкой — она может быть.

Если бы астрономы могли уверенно обнаруживать полностью темные космические объекты в диапазоне масс в миллион солнечных масс, это было бы «наблюдательным достижением», сказал Слейер. «Это было бы невероятно». Стены ее коробки сдвинулись бы внутрь, сжимая пространство, доступное для возможностей.

Будущие технологии могут вскоре превратить эти различные поиски из ранних ударов во тьму в более глубокие набеги на призрачные структуры, которые поддерживают вселенную. JWST углубляет изучение гравитационных линз в ближайшие годы; Например, группа Ниренберга начала с восьми таких систем, но планирует в конечном итоге проанализировать 31 из них. Когда он будет запущен в 2027 году, римский космический телескоп Нэнси Грейс, обсерватория уровня Хаббла с гораздо более широким полем зрения, должен значительно облегчить панорамирование карликовых галактик, как это делает Уокер. Обсерватория Веры К. Рубин, названная в честь астронома-новатора, чьи наблюдения заставили исследователей серьезно отнестись к тайне темной материи, раскроет больше деталей звездных потоков, как только она начнет наблюдения из Чили в 2024 году. Вместе эти две обсерватории должны обнаружить тысячи новых гравитационных линз, которые можно будет исследовать на предмет темных субструктур.

До сих пор ни одно из наблюдений не опровергло популярные модели холодной темной материи, которые предсказывают, что Вселенная усеяна все меньшими и меньшими сгустками вещества. Пока астрономы продолжают изнурительную работу по расчесыванию этих комков, многие теоретики и экспериментаторы надеются, что эксперимент по физике элементарных частиц на Земле гораздо быстрее раскроет суть тайны. Но обнаружение этих изолированных очагов тьмы – и любой сложной физики, которая их сопровождает – похоже на «получение более чистой лаборатории», сказал Слейер. «Мы переживаем захватывающее время».