V luči pošastne zvezde kanček teme | Revija Quanta

Oktobra lani, ko je vesoljski teleskop Jamesa Webba posnel svoje prve dolge osvetlitve neba blizu ozvezdja Eridan, so astronomi začeli sestavljati zgodbo o temni, utripajoči svetlobni točki, za katero se je zdelo, da izvira iz najglobljih votlin vesolja.

Karkoli že je bilo, je lesketalo predolgo, da bi bilo supernova; tudi ena zvezdica ni bila na mizi. "Zdi se, kot da ste verjetno v enem od teh filmov CSI, da ste detektiv," je dejal José María Diego, astrofizik na Inštitutu za fiziko Kantabrije v Španiji, ki je delal na dešifriranju signala. "Na mizi imate veliko osumljencev in [jih] morate odstraniti enega za drugim."

Diego in njegovi kolegi so nedavno poročali, da se zdi, da šibek madež svetlobe izvira iz ekstremni zvezdni sistem so poimenovali Mothra - par supervelikank, ki sta v času svojega razcveta, pred celimi 10 milijardami let, zasenčila skoraj vse druge v svoji galaksiji.

Takrat je bilo celotno vesolje mlajše, kot je Zemlja zdaj; naš planet se je začel združevati šele potem, ko so fotoni Mothre dosegli polovico svojega kozmičnega potovanja v svet, ki bo razvil ogromen infrardeči vesoljski teleskop ravno pravi čas, da ujame njihovo svetlobo. Zaznavanje svetlobe, ki jo oddajajo posamezni zvezdni sistemi, kar je bilo pred davnimi časi nemogoče. Toda Mothra, imenovana po pošasti kaiju, ki so jo navdihnili svileni molji, je le zadnja v nedavnem nizu najstarejših, najbolj oddaljenih, na splošno vrhunskih zvezdnih sistemov, ki so jih astronomi našli na slikah JWST in vesoljskega teleskopa Hubble. In v preobratu, medtem ko Mothra in njeni živalski bratje sami zase navdušujejo astrofizične objekte, Diega najbolj navduši to, da se zdi, da svetloba pošastnih zvezd razkriva zelo drugačen razred predmetov, ki lebdijo med njo in Zemljo: sicer neviden grudo temne snovi, za katero so on in njegovi kolegi izračunali, da tehta med 10,000 in 2.5 milijona krat večjo maso sonca.

Če takšen predmet res obstaja - to je zaenkrat predhodni zaključek - bi lahko fizikom pomagal zožiti njihove teorije o temni snovi in ​​morda, samo morda, rešiti skrivnost nepojasnjene mase vesolja.

Od leta 2023 so laboratorijska prizadevanja za iskanje posameznih delcev temne snovi z vlečno mrežo ostala prazna, zaradi česar nekateri astrofiziki ostajajo z mračnim pragmatičnim sumom, da je edini način, na katerega lahko ljudje postavijo čeljust na skrivnostno snov, morda preučevanje njenih gravitacijskih učinkov na širše vesolje. Zato Diegova ekipa in drugi iščejo srhljive obrise temnih predmetov v vesolju. Upajo, da bodo identificirali najmanjše grude temne snovi, ki obstajajo - kar pa je odvisno od osnovne fizike samega delca temne snovi. Toda kepe čiste temne snovi se ne prikažejo le astronomom; ekipe uporabljajo opazovalne trike, da takšne sence izvabijo iz senc. Zdaj se astronomi osredotočajo na kozmične pojave, ki segajo od gravitacijskih leč, ki ukrivljajo vesolje – vrste nevidnega povečevalnega stekla s prevlado temne snovi, ki je razkrilo Mothro – do plapolajočih traku podobnih tokov zvezd veliko bližje domu. Doslej so ta prizadevanja izključila številne različice priljubljenega niza modelov, imenovanih "topla temna snov".

"Ne morete se dotakniti temne snovi," je rekel Anna Nierenberg, astrofizik na kalifornijski univerzi Merced, ki z JWST išče temne medzvezdne madeže. Toda najti majhne strukture iz njega? "To je tako blizu, kot bi lahko prišel."

Halo, halo, halo

Tisto malo, kar vemo o temni snovi, obstaja v nejasnih, zamegljenih obrisih. Desetletni dokazi kažejo, da so bodisi teorije o gravitaciji nepopolne bodisi, kot pogosteje trdijo astrofiziki, delec temne snovi straši po vesolju. V enem klasičnem opazovanju se je zdelo, da zvezde dirkajo okoli obrobja galaksij, kot da bi bile v veliko močnejšem gravitacijskem primežu, kot bi nakazovala vidna snov. Z merjenjem gibanja teh zvezd in uporabo drugih tehnik, ki identificirajo področja vesolja z dodatno težo, lahko astronomi vizualizirajo, kako je temna snov vesolja porazdeljena na večjih lestvicah.

"Če bi imeli očala za temno snov," je dejal Nierenberg, bi okoli vsake galaksije verjetno videli "veliko, mehko, razširjeno strukturo v obliki lubenice, ki je veliko večja od same galaksije." Astronomi za našo Mlečno cesto ocenjujejo, da ta razpršen, temen zapredek – imenovan halo – tehta približno trilijon sončnih mas in je več kot 10-krat širši od spiralnega diska zvezd v galaksiji.

Vendar povečajte na manjša merila in znanstvena gotovost se razbije. Ali je halo temne snovi Mlečne ceste gladek schmear? Ali pa je urejen v grude, imenovane pod-haloji? In če da, kakšne velikosti so te kepe?

Odgovori bi lahko znanstvenikom omogočili, da prepoznajo pravo naravo temne snovi. Modeli, kako je vesolje razvilo svojo trenutno strukturo – kozmično mrežo, stkano z bisernimi nizi galaksij – napovedujejo, da so se delci temne snovi, kakršni koli že so, v prvih nekaj sto tisoč letih po velikem poku zbrali v majhne, ​​gravitacijsko vezane kepe. Veliko teh grudic se je združilo in sčasoma potegnilo vase vidno snov. Ti so zrasli v semena galaksij. Toda nekateri najmanjši temni haloji, ki se niso združili, bi morali še vedno obstajati kot "ostanki oblikovanja strukture v zgodnjem vesolju", je dejal Ethan Nadler, astrofizik na observatorijih Carnegie in Univerzi Južne Kalifornije. "Nekako kot časovni stroj."

Iskanje in tehtanje teh reliktnih grudic bi fizikom pomagalo okrepiti nadzor nad osnovno fiziko temne snovi - vključno z maso skrivnostnega delca in njegovo "temperaturo", nekoliko zavajajočim izrazom, ki opisuje hitrost, s katero se oblaki posameznih delcev vrtijo naokoli.

Eden od glavnih osumljencev v skrivnosti temne snovi je hladna temna snov, razred modelov, v katerih so krivci relativno težki in počasni delci; en primer je masivni delec s šibko interakcijo ali WIMP. Če so te teorije pravilne, bi se takšni delci zlahka usedli v samogravitacijske kepe v zgodnjem vesolju, od katerih so bile nekatere morda tako majhne kot Zemljina masa. Danes bi morali ti dolgotrajni mini haloji temne snovi še vedno lebdeti znotraj in okoli večjega skupnega haloja galaksij, kot je Rimska cesta.

Toda če bi svetlejši delci temne snovi hitreje švigali skozi zgodnji kozmos, kot nakazuje konkurenčni razred modelov "tople" temne snovi, bi lahko nastale le večje kepe z močnejšo gravitacijsko silo. Ti modeli kažejo, da obstaja meja za strukture temne snovi, najmanjša masa, pod katero haloji ne obstajajo. Kadarkoli torej nekdo odkrije nov, najmanjši znani temni halo (kot je domnevni med Zemljo in Mothro), so teoretiki prisiljeni izključiti postopno hladnejše scenarije.

Drug priljubljen razred modelov, imenovan mehka temna snov, predpostavlja le šepet delcev temne snovi - morda 10²⁸ krat lažji od elektrona. Hipotetični delci, imenovani aksioni, bi lahko bili na primer v tem obsegu velikosti in tudi relativno hladni. Ti peresni uteži bi se obnašali bolj kot valovi kot delci, ki valovijo po galaksijah. Tako kot topla temna snov tudi ta valovita inkarnacija ne bi tvorila gravitacijsko vezanih grudic na masnih lestvicah, manjših od galaksij. Toda ultralahka temna snov bi imela še eno besedo. Ko se valovi mehke temne snovi medsebojno prekrivajo znotraj haloja, lahko tvorijo manjše interferenčne vzorce, imenovane granule – zrnata območja, kjer je gostota temne snovi večja – ki bi dali lasten merljiv gravitacijski podpis.

Za izključitev nekaterih od teh teorij je treba najti - ali očitno ne najti - haloje temne snovi z vse manjšo maso. Iskanje se je začelo z identifikacijo najbolj majhnih halojev, za katere je znano, da ovijajo pritlikave galaksije, kepe temne snovi, ki še vedno tehtajo stotine milijonov sončnih mas, in zdaj si prizadeva v neznano. Težava pa je v tem, da ti hipotetični majhni temni haloji verjetno nimajo gravitacijske sile, ki je potrebna za privabljanje navadne snovi in ​​vžiganje zvezd. Ni jih mogoče neposredno videti - so komaj kaj več kot težke sence. "Začel se je lov za dokazi," je dejal Matthew Walker, astrofizik na univerzi Carnegie Mellon. "Samo težko ga je najti."

Lekcije iz leč

Današnja najnaprednejša iskanja majhnih, temnih pod-halojev se opirajo na skoraj čudežni pojav: gravitacijske leče. Kot je predvidel Einstein, so gravitacijske leče območja izkrivljenega prostora-časa, ki obkrožajo ogromen predmet. Gravitacijsko polje tega predmeta – leča – izkrivlja in fokusira svetlobo ozadja na približno enak način, kot lahko povečevalno steklo poveča sliko mravlje ali koncentrira sončno svetlobo dovolj, da zaneti ogenj.

Vsaka poravnava leče vključuje vir svetlobe, ki sveti z oddaljenih obal vesolja, in samo lečo. Pogosto so te leče ogromne galaksije ali jate galaksij, ki ukrivljajo prostor-čas in so po kozmičnem naključju poravnane med tem oddaljenim izvorom in Zemljo. Leče proizvajajo vrsto optičnih učinkov, od svetlobnih lokov do več kopij istega vira ozadja do zelo povečanih slik predmetov, ki bi bili sicer predaleč, da bi jih videli.

Leta 2017 so astronomi fotografirali le z lovljenjem skozi kozmos z objektivi Icarus, zvezda, ki je močno gorela pred približno 9 milijardami let. Pred kratkim so našli skoraj 13 milijard let staro Earendel, trenutno rekorderko za najstarejšo zvezdo, ki oddaja čim več svetlobe sama kot 1 milijon sonc. Opazili so tudi Godzilo, pošastno energijsko oddaljeno zvezdo podvržen eksplozivnemu izbruhu, in Godzillino sopošast Mothra, ki se zdi podobna vrsta spremenljivega predmeta. ("In ja, s tem se zabavamo," je dejal Diego o postopku imenovanja svoje ekipe.)

Toda gravitacijske leče niso le portali na drugo stran vesolja. Lovci na temno snov že dolgo menijo, da so leče vsaj tako zanimive kot tisto, kar povečujejo. Natančni načini, na katere leča deformira in popači sliko ozadja, ustrezajo temu, kako je masa porazdeljena v in okoli leče galaksije ali kopice. Če temna snov obstaja v majhnih kepah brez zvezd znotraj znanega vzorca halojev velikosti galaksij – no, potem bi morali tudi astronomi videti svetlobo, ki se upogiba okoli teh kepic.

Najmanjši temni haloji, odkriti s to metodo, že tekmujejo z najmanjšimi haloji, izmerjenimi okoli pritlikavih galaksij. Leta 2020 je ekipa, vključno z Nierenbergom, uporabila vesoljski teleskop Hubble in observatorij Keck na Havajih, da bi si ogledala povečane slike kvazarjev – žarečih svetilnikov svetlobe, ki jih oddaja snov, ki pade v črne luknje – in našli dokaze za temne haloje, ki so tako majhni kot stotine milijonov sončnih mas. To je enaka groba velikost haloja, ki je povezana z najmanjšimi galaksijami, raven statističnega strinjanja, ki jo je Nadler v študija objavljeno naslednje leto, uporabljeno za izključitev modelov tople temne snovi, sestavljenih iz delcev, lažjih od približno 1/50 elektrona, v katerih se tako majhne gruče nikoli ne bi mogle oblikovati.

Letos sta medtem dve ekipi uporabili kvazarje z lečami, da bi iskali zrna mehkih, peresno lahkih delcev temne snovi – zrnca, ki bi nastala s postopkom, podobnim tistemu, zaradi katerega se na površini bazena pojavijo valovi, pravi prvi avtor. ene od teh študij, Devon Powell z Inštituta Maxa Plancka za astrofiziko. "Dobite to zelo kaotično, grudasto porazdelitev zadeve," je dejal. "To je samo motnja valov."

Analiza njegove ekipe, objavljena junija v Mesečna obvestila Royal Astronomical Society, ni našla dokazov za valoviti učinki temne snovi v slikah visoke ločljivosti svetlobnih lokov iz ene gravitacijske leče, kar nakazuje, da mora biti temni delec težji od najmanjših mehkih kandidatov. Toda aprilska študija v Narava astronomija, voden z Alfred Amruth Univerze v Hongkongu, so pogledali štiri kopije kvazarja v ozadju z lečami in prišli do nasprotnega zaključka: leča iz mehke temne snovi, so trdili, bolje razloženo majhna nihanja v njihovih podatkih. (Protislovne ugotovitve ne bi bile povsem presenetljive glede na to, da so pričakovani signali subtilni in da je eksperimentalni pristop nov, pravijo strokovnjaki zunaj obeh ekip Quanta.)

Nierenberg in njeni kolegi so medtem preživeli zadnje leto z uporabo JWST za opazovanje gravitacijskih leč, ki povečujejo kvazarje, s predčasnim ciljem, da svojo prvo analizo objavijo septembra. V teoriji izračunajo, da bi morala sposobnost JWST, da odkrije strukturo majhnega obsega v lečah, razkriti, ali temni haloji obstajajo kot popolnoma nevidni kepe brez zvezd z velikostnim razponom več deset milijonov sončnih mas. Če je tako, bi ti haloji naložili najmočnejšo omejitev glede tega, kako "topla" je lahko temna snov.

Ta še novejša metoda opazovanja ekstremnih, oddaljenih zvezd, kot je Mothra, skozi gravitacijske leče bi lahko kmalu prešla iz prepoznavanja enkratnih zanimivosti v redno značilnost astronomije v dobi JWST. Če imajo Diego in njegovi kolegi prav in lahko vidijo Mothro, ker jo zasuče kepa temne snovi, ki tehta manj kot nekaj milijonov sončnih mas, bi samo to opazovanje izključilo širok spekter modelov tople temne snovi. Vendar bi še vedno podpiral tako hladno kot mehko temno snov, čeprav bi v slednjem primeru – kjer dodatna povečava Mothre izvira iz gostega zrnca temne snovi namesto gravitacijsko vezane grude – mehko temno snov še vedno potisnila v ozko območje možnih mas.

Astronomi s Hubblom in JWST odkrivajo veliko več zvezd z lečami, je dejal Diego, pri čemer so pozorni na druga nenormalna optična popačenja, ki bi lahko nastala zaradi upogibanja zvezdne svetlobe okoli majhnih temnih predmetov. "Šele začenjamo praskati po površini," je dejal. "Te dni si ne vzamem veliko dopusta."

Temni otoki v toku zvezd

Druga iskanja majhnih halojev temne snovi so osredotočena na veliko bližje zvezde – tiste v strimerjih blizu Mlečne ceste in dvojne zvezde v bližnjih pritlikavih galaksijah. leta 2018, Ana Bonaca, zdaj astrofizik na observatorijih Carnegie, je hitel prenašati podatke iz vesoljskega plovila Gaia Evropske vesoljske agencije, ki meri gibanje skoraj 2 milijard zvezd v Rimski cesti. Bonaca je razvrstil ta začetna opazovanja in izločil informacije iz zvezd, ki pripadajo strukturi, imenovani GD-1. Kar je videla, je bilo "takoj super razburljivo," je rekla. "V naslednjem tednu smo pohiteli s pisanjem prispevka."

GD-1 je zvezdni tok, ohlapen niz zvezd Mlečne ceste, ki bi se – če bi ga lahko razbrali s prostim očesom – raztezal več kot do polovice čez nočno nebo. Te zvezde so bile že davno izvržene iz kroglaste zvezdne kopice; zdaj krožijo okoli Mlečne ceste na obeh straneh te kopice in se zibajo za in pred njeno potjo kot boje, ki označujejo medzvezdni kanal.

V svoji analizi GD-1 je Bonacina ekipa našla teoretični prstni odtis prepletenega kosa temne snovi. Natančneje, del GD-1 je bil videti razcepljen na dva dela, kot da bi ogromen neviden predmet zašel skozi sled in za seboj vlekel zvezde. Izračunali so, da je bil ta mimoidoči predmet morda sub-halo temne snovi, ki tehta nekaj milijonov sončnih mas, zaradi česar je tudi kandidat za najmanjšo domnevno grudo temne snovi in ​​potencialno grožnjo bolj zapečenim različicam tople temne snovi. .

Toda kako eno samo ugotovitev pretvoriti v nekaj bolj statističnega? Bonaca je dejal, da so astronomi do zdaj zabeležili približno 100 zvezdnih tokov. Čeprav je bila le peščica podrobno raziskana, ima vsaka, ki je bila natančno preučena, svoje nenavadne pregibe in ovinke, ki lahko izhajajo iz gravitacijskih srečanj s podobno majhnimi temnimi predmeti. Toda opažanja še niso dokončna.

"Mislim, da je najboljša pot naprej, da istočasno analiziramo tokove," je dejala, "da bi razumeli, koliko [teh nenavadnih lastnosti] prihaja iz temne snovi."

V še manjših merilih je Walker iz Carnegie Mellon zadnje leto preiskoval JWST opazovanja pritlikavih galaksij v iskanju najbolj krhkih zvezdnih sistemov, ki jih lahko najde: dvojne zvezde, ki so zelo oddaljene in se držijo skupaj v ohlapnem gravitacijskem objemu. Če majhni temni haloji – vrste predmetov, za katere modeli hladne temne snovi pravijo, da bi jih moralo biti veliko – nenehno prehajajo mimo in izvajajo gravitacijsko silo na svojo okolico, te zelo široke binarne oblike ne bi smele obstajati. Če pa se široke binarne oblike vseeno pokažejo, to nakazuje, da majhni temni haloji niso prisotni – zadajo telesni udarec številnim modelom hladne temne snovi, ki jih napovedujejo.

"To je tisto, kar jaz imenujem anti-iskanje halojev subgalaktične temne snovi," je dejal Walker.

Gibanje v stenah

Iskanje kozmičnih senc je še vedno majhen del večjega prizadevanja, da bi ugotovili nekaj, kar je do zdaj švigalo izven dosega. Poskusi na Zemlji, ki so zasnovani za lovljenje delcev, ki bi ustrezali paradigmam mehke, tople in hladne temne snovi; ekipe še vedno iščejo druge značilnosti fizike temne snovi, od stranskih produktov, ki nastanejo, če in ko delci medsebojno delujejo z normalno snovjo, do subtilnega vprašanja, kako se gostota temne snovi dviga in pada v temnih halojih, kar je odvisno od tega, kako temni delci medsebojno delujejo. drug z drugim.

Tracy Slatyer, teoretični fizik na Tehnološkem inštitutu v Massachusettsu, vizualizira skrivnost temne snovi kot ogromno škatlo, polno neštetih možnosti, ki pa vsebuje samo en pravi odgovor. V tej analogiji je njena strategija zarezati globoko v to polje s posebnimi, ovrgljivimi idejami o lastnostih delcev temne snovi. Strani škatle pa predstavljajo edina prava omejitvena dejstva, ki jih astronomi lahko zagotovijo, kot so zgornje meje, kako topla je lahko temna snov, in spodnje meje, kako mehka - ali lahka - je lahko.

Če bi astronomi lahko zanesljivo zaznali popolnoma temne kozmične objekte v območju milijona sončne mase, bi to pomenilo "opazovalno tour de force", je dejal Slatyer. "Bilo bi neverjetno." Stene njene škatle bi se premaknile navznoter in skrčile prostor za možnosti.

Prihajajoča tehnologija lahko kmalu spremeni ta različna iskanja iz zgodnjih vbodov v temo v globlje vpade v senčne strukture, ki oklepajo vesolje. JWST bo v prihodnjih letih poglobil študijo gravitacijskih leč; Nierenbergova skupina je na primer začela z osmimi takimi sistemi, vendar načrtuje, da jih bo sčasoma analizirala 31. Ko bo izstreljen leta 2027, bo rimski vesoljski teleskop Nancy Grace, Hubblov observatorij z veliko širšim vidnim poljem, olajšal premikanje po pritlikavih galaksijah, kot to počne Walker. Observatorij Vera C. Rubin, imenovan po pionirskem astronomu, katerega opazovanja so raziskovalce prisilila, da so resno vzeli skrivnost temne snovi, bo razkril več podrobnosti o zvezdnih tokovih, ko bo leta 2024 začel opazovati iz Čila. Oba observatorija skupaj naj bi prikazal na tisoče novih gravitacijskih leč, ki jih je mogoče raziskati za temne podstrukture.

Doslej nobeno od opazovanj ni ovrglo priljubljenih modelov hladne temne snovi, ki napovedujejo, da je vesolje posejano z vedno manjšimi kepami snovi. Medtem ko astronomi nadaljujejo z napornim delom iskanja teh grudic, mnogi teoretiki in eksperimentalci upajo, da bo poskus fizike delcev na Zemlji veliko hitreje posegel v srce skrivnosti. Toda odkrivanje teh izoliranih žepov teme - in kakršne koli zapletene fizike, ki jih spremlja - je kot "pridobivanje čistejšega laboratorija", je dejal Slatyer. "Smo v razburljivem času."