I en monsterstjärnas ljus, en antydan till mörker | Quanta Magazine

I oktober förra året, när rymdteleskopet James Webb strålade ner sina första långa exponeringar av himlen nära stjärnbilden Eridanus, började astronomer pussla ihop historien om en svag, flimrande ljuspunkt som tycktes komma fram från universums djupaste fördjupningar.

Vad det än var, det glittrade för länge för att vara en supernova; en enda stjärna var också borta från bordet. "Det känns som att du förmodligen är med i en av dessa CSI-filmer, att du är en detektiv," sa José María Diego, en astrofysiker vid Institute of Physics of Cantabria i Spanien som arbetade med att dechiffrera signalen. "Du har många misstänkta på bordet, och du måste eliminera [dem] en efter en."

Diego och hans kollegor rapporterade nyligen att den svaga fläcken av ljus verkar komma ifrån ett extremt stjärnsystem de gav smeknamnet Mothra - ett par superjättestjärnor som under sin storhetstid, för hela 10 miljarder år sedan, överglänste nästan allt annat i sin galax.

På den tiden var hela universum yngre än jorden är nu; vår planet började smälta samman först efter att Mothra-fotonerna hade nått halvvägs i sin kosmiska resa till en värld som skulle utveckla ett gigantiskt infrarödkänsligt rymdteleskop precis i tid för att fånga deras ljus. Att upptäcka ljus som sänds ut av individuella stjärnsystem som för länge sedan brukade vara omöjligt. Men Mothra, uppkallad efter ett kaiju-monster inspirerat av silkesfjärilar, är bara den senaste i en ny rad av äldsta någonsin, längst bort någonsin, bara generellt superlativa stjärnsystem som astronomer har hittat i bilder från JWST och Hubble Space Telescope. Och i en vändning, medan Mothra och dess odjurliga bröder är spännande astrofysiska objekt i sin egen rätt, är det som upphetsar Diego mest att monsterstjärnornas ljus tycks avslöja en helt annan klass av objekt som svävar mellan den och jorden: en annars osynlig en klump av mörk materia som han och hans kollegor beräknat väger mellan 10,000 2.5 och XNUMX miljoner gånger solens massa.

Om ett sådant objekt verkligen existerar - en preliminär slutsats för nu - kan det hjälpa fysiker att begränsa sina teorier om mörk materia och kanske, bara kanske, lösa mysteriet med universums oförklarade massa.

Från och med 2023 har laboratorieinsatser för att tråla efter individuella mörk materia partiklar blivit tomma, vilket lämnar vissa astrofysiker med den bistert pragmatiska misstanken att det enda sättet som människor kan sätta skjutmått på det mystiska ämnet kan vara att studera dess gravitationseffekter på det större universum. Så Diegos team och andra söker efter spöklika konturer av mörka föremål i kosmos. De hoppas kunna identifiera de minsta klumpar av mörk materia som finns - vilket i sin tur beror på den grundläggande fysiken för själva mörk materiapartikeln. Men klumpar av ren mörk materia presenterar sig inte bara för astronomer; team använder observationsknep för att locka sådana skuggor från skuggor. Nu fokuserar astronomer på kosmiska fenomen som sträcker sig från rymdförvrängande gravitationslinser - den sortens osynliga, mörka materiadominerade förstoringsglas som avslöjade Mothra - till fladdrande, bandliknande strömmar av stjärnor mycket närmare hemmet. Hittills har dessa ansträngningar uteslutit många varianter av en populär uppsättning modeller som kallas "varm mörk materia."

"Du kan inte röra mörk materia," sa Anna Nierenberg, en astrofysiker vid University of California, Merced som letar efter mörka interstellära blobbar med JWST. Men att hitta små strukturer gjorda av det? "Det är så nära man kan komma."

Halo, Hallo, Halo

Det lilla vi vet om mörk materia finns i vaga, suddiga konturer. Decenniers bevis har antytt att antingen teorier om gravitation är ofullständiga, eller, som astrofysiker oftare hävdar, en mörk materia partikel hemsöker universum. I en klassisk observation verkade stjärnor springa runt galaxernas utkanter som om de hölls i ett mycket starkare gravitationsgrepp än vad synlig materia skulle antyda. Genom att mäta dessa stjärnors rörelser och använda andra tekniker som identifierar områden i rymden med extra tyngd, kan astronomer visualisera hur universums mörka materia är fördelad på större skalor.

"Om vi ​​hade mörk materia-glasögon," sa Nierenberg, runt varje galax skulle vi förmodligen se "en stor, flummig, utsträckt, vattenmelonformad struktur som är mycket större än själva galaxen." För vår egen Vintergatan uppskattar astronomer att denna diffusa, mörka kokong - kallad en halo - väger ungefär en biljon solmassor och är mer än 10 gånger bredare än galaxens spiralskiva av stjärnor.

Zooma in till mindre skalor, men den vetenskapliga säkerheten går sönder. Är Vintergatans mörka materia-gloria en slät schmear? Eller är det ordnat i klumpar, kallade sub-halos? Och i så fall, vilka storlekar är dessa klumpar?

Svaren kan göra det möjligt för forskare att identifiera mörk materias sanna natur. Modeller av hur universum utvecklade sin nuvarande struktur - ett kosmiskt nät, vävt av pärlemorskimrande galaxer - förutsäger att mörk materiepartiklar, vad de än är, samlades till små gravitationsbundna klumpar under de första hundra tusen åren efter Big Bang. Många av dessa klumpar slogs samman och drog så småningom in synlig materia. De växte till galaxernas frön. Men några av de minsta mörka glororna som inte smälte samman borde fortfarande existera som "rester av strukturbildning i det tidiga universum", sa Ethan Nadler, en astrofysiker vid Carnegie Observatories och University of Southern California. "Som en tidsmaskin."

Att hitta och väga dessa relikklumpar skulle hjälpa fysiker att skärpa sitt grepp om mörk materiens grundläggande fysik - inklusive den mystiska partikelns massa och dess "temperatur", en något missvisande term som beskriver hastigheten med vilken moln av enskilda partiklar glider runt.

En av de ledande misstänkta i mysteriet med mörk materia är kall mörk materia, en klass av modeller där de skyldiga är relativt tunga och tröga partiklar; ett exempel är en svagt interagerande massiv partikel, eller WIMP. Om dessa teorier är rätt, skulle sådana partiklar lätt ha satt sig i självgraviterande klumpar i det tidiga universum, av vilka några kan ha varit så små som en jordmassa. Idag borde dessa kvardröjande mini-halos av mörk materia fortfarande vara i drift inom och runt den större kollektiva haloen av galaxer som Vintergatan.

Men om ljusare partiklar av mörk materia fors igenom det tidiga kosmos snabbare, som en konkurrerande klass av "varma" mörk materiamodeller föreslår, kunde bara större klumpar med en kraftigare gravitationskraft ha bildats. Dessa modeller tyder på att det finns en gräns för strukturer av mörk materia, en minimimassa under vilken halos inte existerar. Så varje gång någon upptäcker en ny, minsta kända mörka gloria (som den påstådda mellan jorden och Mothra), tvingas teoretiker att utesluta allt svalare scenarier.

En annan populär klass av modeller, kallad suddig mörk materia, förutsätter bara en viskning av en mörk materia partikel - kanske 10²⁸ gånger lättare än en elektron. Hypotetiska partiklar som kallas axioner, till exempel, kan vara i detta storleksintervall och även relativt kalla. Dessa fjäderviktare skulle bete sig mer som vågor än partiklar, som skvalpar över galaxer. Liksom varm mörk materia skulle denna vågliknande inkarnation inte bilda gravitationsbundna klumpar på massskalor som är mindre än galaxer. Men ultralätt mörk materia skulle ha en annan sak. När vågor av flummig mörk materia slår mot varandra i en gloria, kan de bilda mindre interferensmönster som kallas granulat - korniga områden där densiteten av mörk materia är högre - som skulle ge sin egen mätbara gravitationssignatur.

Att utesluta några av dessa teorier kräver att man hittar - eller påfallande att man inte hittar - mörk materiahalos med lägre och lägre massa. Sökandet startade med att identifiera de mest diminutiva glororna som är kända för att omsluta dvärggalaxer, klumpar av mörk materia som fortfarande väger hundratals miljoner solmassor, och den arbetar sig nu in i det okända. Problemet är dock att dessa hypotetiska små mörka glorier förmodligen saknar den gravitationskraft som behövs för att attrahera vanlig materia och tända stjärnor. De kan inte ses direkt - de är lite mer än tunga skuggor. "Jakten har pågått efter bevis," sa Matthew Walker, en astrofysiker vid Carnegie Mellon University. "Det är bara svårt att hitta."

Lärdomar från linser

Dagens mest avancerade sökningar efter små, mörka sub-halos piggyback på ett nästan mirakulöst fenomen: gravitationslinser. Förutspått av Einstein, gravitationslinser är regioner med skev rumtid som omger ett massivt föremål. Objektets gravitationsfält - linsen - förvränger och fokuserar bakgrundsljus på ungefär samma sätt som ett förstoringsglas kan förstora bilden av en myra eller koncentrera solljus tillräckligt för att tända en eld.

Varje linsjustering involverar en ljuskälla som lyser från universums avlägsna stränder och själva linsen. Ofta är dessa linser massiva galaxer eller galaxhopar som förvränger rymdtiden och råkar vara i linje, av en kosmisk slump, mellan den avlägsna källan och jorden. Linser producerar en rad optiska effekter, från ljusbågar till flera kopior av samma bakgrundskälla till mycket förstorade bilder av objekt som annars skulle vara alldeles för långt borta för att ses.

Det var bara genom att fiska genom det linsade kosmos som astronomer 2017 fotograferade Icarus, en stjärna som brann starkt för cirka 9 miljarder år sedan. På senare tid hittade de den nästan 13 miljarder år gamla Earendel, den nuvarande rekordhållaren för den äldsta stjärnan, som kastar lika mycket ljus av sig själv som 1 miljon solar. De såg också Godzilla, en monstruöst energisk avlägsen stjärna genomgår ett explosivt utbrott, och Godzillas medmonster Mothra, som verkar vara en liknande typ av variabelt objekt. ("Och ja, vi har kul med det här," sa Diego om hans teams namngivningsprocess.)

Men gravitationslinser är inte bara portaler till andra sidan av universum. Jägare av mörk materia har länge ansett linserna som minst lika intressanta som vad de förstorar. De exakta sätten på vilka linsen förvränger och förvränger bakgrundsbilden motsvarar hur massan är fördelad i och runt linsgalaxen eller -klustret. Om mörk materia finns i små stjärnlösa klumpar inom det kända mönstret av halos i galaxstorlek - ja, då borde astronomer också kunna se ljuset böja sig runt dessa klumpar.

De minsta mörka glororna som upptäcks genom denna metod konkurrerar redan med de minsta glororna som uppmätts runt dvärggalaxer. År 2020 använde ett team inklusive Nierenberg rymdteleskopet Hubble och Keck-observatoriet på Hawai'i för att titta på förstorade bilder av kvasarer - flammande ljusfyrar som sänds ut av materia som faller in i svarta hål - och hittade bevis för mörka glorier så små som hundratals miljoner solmassor. Det är samma grova halostorlek förknippad med de minsta galaxerna, en nivå av statistisk överensstämmelse som Nadler, i en studie publicerades följande år, används för att utesluta modeller av varma mörk materia som består av partiklar som är lättare än cirka 1/50 av en elektron, i vilka sådana diminutiva klumpar aldrig kunde bildas.

I år använde två lag under tiden linserade kvasarer för att leta efter korn av luddiga, fjäderviktiga partiklar av mörk materia - korn som skulle bildas genom en process som liknar den som får krusningar att dyka upp på ytan av en simbassäng, enligt första författaren av en av dessa studier, Devon Powell från Max Planck Institute for Astrophysics. "Du får den här väldigt kaotiska, klumpiga fördelningen av saken," sa han. "Det är bara vågstörningar."

Hans teams analys, publicerad i juni i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society, inte hittat bevis för vågliknande mörk materia-effekter i högupplösta bilder av ljusbågar från en gravitationslins, vilket tyder på att den mörka partikeln måste vara tyngre än de minsta luddiga kandidaterna. Men en aprilstudie i Natur Astronomi, ledd av Alfred Amruth från University of Hong Kong, tittade på fyra linsexemplar av en bakgrundskvasar och kom till motsatt slutsats: En lins gjord av flummig mörk materia, hävdade de, bättre förklarat små fluktuationer i deras data. (Motstridiga resultat skulle inte vara helt förvånande med tanke på att de förväntade signalerna är subtila och den experimentella metoden är ny, säger experter utanför båda teamen Quanta.)

Nierenberg och hennes kollegor har under tiden tillbringat det senaste året med att använda JWST för att observera gravitationslinser som förstorar kvasarer, med det preliminära målet att publicera sin första analys i september. I teorin beräknar de att JWST:s förmåga att avslöja småskalig struktur i linser borde avslöja om mörka glorier existerar som helt osynliga, stjärnlösa klumpar med ett storleksintervall på tiotals miljoner solmassor. Om så är fallet, skulle dessa glorier sätta den starkaste begränsningen hittills för hur "varm" mörk materia kan vara.

Denna ännu nyare metod att titta på extrema, avlägsna stjärnor som Mothra genom gravitationslinser kan snart gå från att identifiera enstaka kuriosa till att bli ett vanligt inslag i astronomi under JWST-eran. Om Diego och hans kollegor har rätt, och de kan se Mothra eftersom den linsas av en mörk materieklump som väger färre än några miljoner solmassor, skulle den observationen ensam utesluta ett stort antal modeller av varma mörk materia. Men det skulle fortfarande stödja både kall och flummig mörk materia, även om den i det senare fallet - där den extra förstoringen av Mothra kommer från en tät granul av mörk materia istället för en gravitationsbunden klump - fortfarande skulle tvinga suddig mörk materia in i ett smalt område möjliga massor.

Astronomer avslöjar många fler linsstjärnor med Hubble och JWST, sa Diego och håller utkik efter andra onormala optiska förvrängningar som kan komma från stjärnljus som böjer sig runt små mörka föremål. "Vi har precis börjat skrapa på ytan," sa han. "Jag tar inte mycket semester nuförtiden."

Mörka öar i en ström av stjärnor

Andra sökningar efter små mörk materia-glorier fokuserar på mycket närmare stjärnor - de i streamers nära Vintergatan och dubbelstjärnor i närliggande dvärggalaxer. Under 2018, Ana Bonaca, nu en astrofysiker vid Carnegie Observatories, tävlade för att ladda ner data från Europeiska rymdorganisationens rymdfarkost Gaia, som mäter rörelserna för nästan 2 miljarder stjärnor i Vintergatan. Bonaca sorterade igenom de första observationerna och isolerade informationen från stjärnor som tillhör en struktur som kallas GD-1. Det hon såg var "omedelbart superspännande", sa hon. "Vi skyndade oss att skriva ett papper under nästa vecka eller så."

GD-1 är en stjärnström, en lös sträng av Vintergatans stjärnor som – om du kunde plocka ut den med blotta ögat – skulle sträcka sig mer än halvvägs över natthimlen. Dessa stjärnor kastades ut från en globulär stjärnhop för länge sedan; de kretsar nu runt Vintergatan på vardera sidan av den klungan, guppar bakom och framför dess väg som bojar som markerar en interstellär kanal.

I sin analys av GD-1, hittade Bonacas team det teoretiska fingeravtrycket av en sammanflätad bit av mörk materia. Närmare bestämt verkade en del av GD-1 delas i två delar som om ett massivt osynligt föremål hade missat sig genom spåret och dragit stjärnor i dess spår. Det förbipasserande föremålet, beräknade de, kan ha varit en mörk materia-sub-halo som vägde några miljoner solmassor - vilket gör det också till en utmanare för den minsta förmodade mörka materia-klumpen och ett potentiellt hot mot de toastigare varianterna av varm mörk materia .

Men hur konverterar man ett enda fynd till något mer statistiskt? Vid det här laget, sa Bonaca, har astronomer krönikat omkring 100 stjärnströmmar. Medan endast en handfull har studerats i detalj, har var och en som har granskats sina egna ovanliga veck och böjar som kan komma från gravitationsmöten med liknande små, mörka föremål. Men observationerna är inte avgörande än.

"Jag tror att den bästa vägen framåt är att analysera strömmar samtidigt," sa hon, "för att förstå hur mycket av [dessa ovanliga egenskaper] som kommer från mörk materia."

På ännu mindre skalor har Walker, på Carnegie Mellon, ägnat det senaste året åt att skanna JWST-observationer av dvärggalaxer på jakt efter de bräckligaste stjärnsystemen han kan hitta: binärstjärnor som är mycket långt ifrån varandra och hålls samman i en lös gravitationell omfamning. Om små mörka glorier - den sortens objekt som kalla mörk materia modeller säger borde finnas gott om - ständigt passerar förbi och utövar gravitationsdrag på sin omgivning, borde dessa mycket breda binärer inte existera. Men om breda binärer dyker upp, tyder det på att det inte finns små mörka glorier - att slå ett kroppsslag mot de många modellerna av kall mörk materia som förutsäger dem.

"Det är vad jag kallar en anti-sökning efter subgalaktiska mörk materia halos," sade Walker.

Moving in the Walls

Jakten på kosmiska skuggor är fortfarande en liten del av en större ansträngning för att nå fram till något som hittills har slingrat sig utom räckhåll. Jordbaserade experiment utformade för att fånga partiklar som skulle passa in i paradigmen för luddiga, varma och kalla mörka materier; team letar fortfarande efter andra kännetecken för mörk materias fysik, från biprodukter som produceras om och när partiklarna interagerar med normal materia, till den subtila frågan om hur mörk materias densitet stiger och faller inom mörka halos, vilket beror på hur de mörka partiklarna interagerar med varandra.

Tracy Slatyer, en teoretisk fysiker vid Massachusetts Institute of Technology, visualiserar mysteriet med mörk materia som en stor låda full av otaliga möjligheter men som bara innehåller ett rätt svar. I denna analogi är hennes strategi att skära djupt i den där lådan med specifika, motbevisbara idéer om egenskaperna hos partiklar av mörk materia. Sidorna på lådan representerar dock de enda sanna begränsande fakta astronomer kan ge, såsom övre gränser för hur varm mörk materia kan vara, och nedre gränser för hur luddig - eller lätt - den kan vara.

Om astronomer med tillförsikt kunde upptäcka helt mörka kosmiska objekt i intervallet miljoner solmassor, skulle det vara en "observationstour de force", sa Slatyer. "Det skulle vara otroligt." Väggarna i hennes låda skulle röra sig inåt och krympa det tillgängliga utrymmet för möjligheter.

Kommande teknik kan snart förvandla dessa olika sökningar från tidiga knivhugg i mörkret till djupare försök till de skuggiga strukturerna som ligger bakom universum. JWST kommer att fördjupa sina studier av gravitationslinser under de kommande åren; Nierenbergs grupp har till exempel börjat med åtta sådana system men planerar att så småningom analysera 31 av dem. När det lanseras 2027 borde Nancy Grace Roman Space Telescope, ett observatorium av Hubble-grad med ett mycket bredare synfält, göra det mycket lättare att panorera genom dvärggalaxer som Walker gör. Vera C. Rubin-observatoriet, uppkallat efter den banbrytande astronomen vars observationer tvingade forskare att ta mysteriet med mörk materia på allvar, kommer att avslöja fler detaljer om stjärnströmmar när det börjar observera från Chile 2024. Tillsammans kommer de två observatorierna borde visa upp tusentals nya gravitationslinser som kan letas efter mörka understrukturer.

Hittills har ingen av observationerna störtat de populära modellerna av kall mörk materia, som förutspår att universum är full av mindre och mindre klumpar av materialet. När astronomer fortsätter det ansträngande arbetet med att kamma efter dessa klumpar, hoppas många teoretiker och experimentalister att ett partikelfysikexperiment på jorden kommer att skära till mysteriets hjärta mycket snabbare. Men att avslöja dessa isolerade fickor av mörker - och all intrikat fysik som åtföljer dem - är som att "få ett renare laboratorium", sa Slatyer. "Vi befinner oss i en spännande tid."