Stjärnor som drivs av mörk materia kan ha setts av JWST – Physics World

Stjärnor som drivs av mörk materia kan ha setts av JWST – Physics World

Tidsstämpel: 1 augusti 2023 9:00

Supermassiva mörka stjärnor
Mörka stjärnor, inte galaxer: dessa tre objekt identifierades ursprungligen som galaxer av JWST Advanced Deep Extragalactic Survey. Nu menar en trio astronomer att de faktiskt är supermassiva mörka stjärnor. (Med tillstånd: NASA/ESA)

En trio amerikanska astronomer har hittat övertygande bevis för existensen av "mörka stjärnor" - hypotetiska objekt som drivs av förintelsen av mörk materia. Mörka stjärnor kan förklara det oväntade överflöd av forntida galaxer som setts av James Webb Space Telescope (JWST).  Katherine Freese vid University of Texas, Austin tillsammans med Cosmin Ilie och Jillian Paulin vid Colgate University använde JWST-data för att dra slutsatsen att tre av dessa galaxer faktiskt kan vara mörka stjärnor.

Mindre än två år sedan dess första bilder släpptes har JWST redan förändrat astronomernas förståelse av det tidiga universum. Bland dess mest överraskande observationer har varit det stora antalet extremt ljusa, uråldriga galaxer, som skulle ha bildats i regioner rika på mörk materia.

Mörk materia är en hypotetisk substans som åberopas av fysiker för att förklara universums storskaliga struktur. Även om det aldrig har observerats direkt, är det en del av den nuvarande standardmodellen för kosmologi - lambdamodellen för kall mörk materia (ΛCDM). Detta beskriver universums struktur och expansion, samtidigt som det står för gravitationsinflytandet av mörk materia.

Uppvärmning av mörk materia

2007, Freese och kollegor föreslog möjligheten till "mörka stjärnor", vilket kan ha varit vanligt i det tidiga universum. Även om de mestadels består av väte och helium, skulle dessa exotiska stjärnor drivas av "uppvärmning av mörk materia" snarare än kärnfusion. Detta kan involvera en typ av mörk materia som kallas svagt interagerande massiva partiklar (WIMP). WIMPs har undvikit upptäckter i årtionden i jordbaserade detektionsexperiment, men enligt Freeses team kan den rena tätheten av mörk materia i det tidiga universum få dem att interagera mycket oftare med vanlig materia under bildandet av några av de tidigaste stjärnorna.

I det tidiga universum kunde WIMP ha förintats till fotoner, elektron-positronpar och andra partiklar, som kolliderade med vätet i kollapsande moln, förklarar Freese. "Dessa partiklar fastnar sedan inuti molnet och avsätter all energi från massan av de mörka materiepartiklarna i molnet. Molnet slutar då att kollapsa och förvandlas istället till en "mörk stjärna".

Mörka stjärnor är stjärnor i alla avseenden, eftersom den enorma gravitationen av deras kalla, infallande material är perfekt balanserad av det yttre hydrostatiska trycket, genererat av energifrigörande processer i deras inre. Trots det säger Freese att de har flera nyckelskillnader från vanliga stjärnor.

Sval genomgående

"De har inga kärnor, till skillnad från fusionsdrivna stjärnor, som behöver höga temperaturer för att fusion ska kunna ske", förklarar Freese. "Mörka stjärnor är svala överallt, inklusive vid ytan, så att de inte producerar joniserande fotoner eller vindar som skulle hindra dem från att samla ihop massa."

Som ett resultat hävdar Freese och kollegor att mörka stjärnor ballonger i storlek till cirka 10 AU och miljontals solmassor. Detta gör att stjärnorna kan dra in ännu fler partiklar av mörk materia. I processen kan en "supermassiv" mörk stjärna (SMDS) bli tillräckligt ljus för att överglänsa en hel galax.

Vanligtvis kan galaxer lätt särskiljas från stjärnor eftersom de tar upp utsträckta områden i rymden, medan stjärnor uppträder som enstaka ljuspunkter. Men på så stora avstånd har inte ens JWST en tillräckligt hög upplösning för att skilja mellan stjärnor och galaxer. Om Freese och hennes kollegor har rätt, skulle detta tyda på att antika galaxer förekommer så många i JWST:s data eftersom många av dem är SMDS.

Absorptionslinjer

För att söka efter bevis på SMDS undersökte trion data från JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). I undersökningen letade de efter bevis på att ljus vid vissa våglängder absorberas av kandidatstjärnor. I synnerhet var de intresserade av 1640 nm helium-II-absorptionslinjen som ofta observeras i spektra av heta, ljusa stjärnor.

"En helium-II-absorptionslinje skulle vara en rykande pistol för en mörk stjärna, eftersom galaxer inte skulle producera sådana linjer," säger Freese. "Om andra element än väte och helium hittas, så är det inte en mörk stjärna."

När de sökte med JADES, identifierade de flera objekt som nära matchade deras SMDS-kriterier. "Vi fann att tre av dem är bra matchningar med SMDS", fortsätter Freese. "De har rätt spektra, även om detektorns upplösning ännu inte kan avgöra om dessa är punktobjekt eller utvidgade objekt."

I framtiden hoppas teamet att JWST kommer att ta upp SMDS-kandidater som har förstorats med gravitationslinser – vilket kan öka upplösningen tillräckligt hög för att bekräfta att objekten verkligen är enstaka ljuspunkter, snarare än utökade galaxer. "Om några av dessa tidiga objekt är mörka stjärnor istället för galaxer, skulle det bidra till att upprätthålla överensstämmelsen mellan JWST:s observationer med standardmodellen för kosmologi", säger Freese.

Utöver detta kan denna bekräftelse vara ett stort genombrott i vår förståelse av mörk materias natur och ge ytterligare bevis för förekomsten av WIMP.

Forskningen beskrivs i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden