У світлі чудовиської зірки натяк на темряву | Журнал Quanta

У жовтні минулого року, коли космічний телескоп Джеймса Вебба зробив першу довгу експозицію неба поблизу сузір’я Ерідан, астрономи почали складати історію про тьмяну, мерехтливу точку світла, яка, здавалося, вийшла з найглибших куточків Всесвіту.

Що б це не було, воно блимало занадто довго, щоб бути надновою; одна зірка також була поза столом. «Таке відчуття, ніби ти, напевно, в одному з цих фільмів CSI, що ти детектив», — сказав Хосе Марія Дієго, астрофізик з Інституту фізики Кантабрії в Іспанії, який працював над розшифровкою сигналу. «У вас на столі багато підозрюваних, і ви повинні усунути [їх] одного за іншим».

Дієго та його колеги нещодавно повідомили, що слабка пляма світла, здається, походить звідти екстремальна зоряна система вони дали прізвисько Мотра — пара надгігантських зірок, які в період свого розквіту, цілих 10 мільярдів років тому, затьмарили майже все інше в їхній галактиці.

У той час весь Всесвіт був молодшим, ніж Земля зараз; наша планета почала об’єднуватися лише після того, як фотони Мотри досягли половини своєї космічної подорожі до світу, який розробить гігантський чутливий до інфрачервоного випромінювання космічний телескоп саме вчасно, щоб уловити їхнє світло. Виявлення світла, випромінюваного окремими зоряними системами, що давно було неможливим. Але Мотра, названа на честь монстра кайдзю, натхненного шовковими метеликами, є лише останньою в нещодавній низці найстаріших, найдальших, просто загалом чудових зоряних систем, які астрономи знайшли на зображеннях JWST і космічного телескопа Хаббла. По суті, хоча Мотра та її звірячі побратими самі по собі інтригують астрофізичні об’єкти, Дієго найбільше хвилює те, що світло зірок-монстрів, здається, відкриває зовсім інший клас об’єктів, що плавають між нею та Землею: інакше невидимий Згусток темної матерії, який він і його колеги підрахували, важить від 10,000 2.5 до XNUMX мільйонів мас Сонця.

Якщо такий об’єкт дійсно існує — це поки що попередній висновок — це може допомогти фізикам звузити їхні теорії про темну матерію і, можливо, лише можливо, розгадати таємницю нез’ясованої маси Всесвіту.

Станом на 2023 рік спроби лабораторії тралити окремі частинки темної матерії закінчилися безрезультатно, що залишило деяких астрофізиків з похмурою прагматичною підозрою, що єдиний спосіб, яким люди можуть перевірити таємничу речовину, — це вивчити її гравітаційний вплив на ширший Всесвіт. Тож команда Дієго та інші шукають примарні контури темних об’єктів у космосі. Вони сподіваються ідентифікувати найменші згустки темної матерії, які існують, що, у свою чергу, залежить від основної фізики самої частинки темної матерії. Але шматки чистої темної матерії не просто з’являються астрономам; команди використовують спостережні трюки, щоб спонукати такі тіні до тіней. Зараз астрономи зосереджуються на космічних явищах, починаючи від гравітаційних лінз, що викривляють простір — типу невидимої лупи з домінуванням темної матерії, яка виявила Мотру — до тріпотливих стрічкоподібних потоків зірок набагато ближче до дому. Наразі ці зусилля виключили багато варіантів популярного набору моделей під назвою «тепла темна матерія».

«Ви не можете торкатися темної матерії», - сказав Анна Ніренберг, астрофізик з Каліфорнійського університету в Мерседі, який шукає темні міжзоряні плями за допомогою JWST. Але знайти невеликі споруди з нього? «Це максимально близько».

Halo, Halo, Halo

Те небагато, що ми знаємо про темну матерію, існує в нечітких, розмитих контурах. Докази, накопичені протягом десятиліть, свідчать про те, що або теорії гравітації є неповними, або, як частіше стверджують астрофізики, у Всесвіті переслідує частинка темної матерії. В одному класичному спостереженні зірки, здавалося, мчать навколо околиць галактик, ніби їх тримає набагато сильніша гравітаційна хватка, ніж припускає видима матерія. Вимірюючи рухи цих зірок і застосовуючи інші методи, які ідентифікують області простору з додатковою вагою, астрономи можуть візуалізувати, як темна матерія Всесвіту розподіляється у великих масштабах.

«Якби у нас були окуляри для темної матерії», — сказав Ніренберг, — навколо кожної галактики ми, ймовірно, побачили б «велику, нечітку, розширену структуру у формі кавуна, яка набагато більша за саму галактику». Астрономи підрахували, що для нашого Чумацького Шляху цей дифузний темний кокон, який називають гало, важить приблизно трильйон сонячних мас і більш ніж у 10 разів ширший за спіральний диск зірок галактики.

Однак якщо збільшити масштаб до менших масштабів, наукова достовірність руйнується. Чи є ореол темної матерії Чумацького Шляху гладкою плямою? Або він упорядкований у згустки, які називаються суб-гало? І якщо так, то якого розміру ці згустки?

Відповіді можуть дозволити вченим визначити справжню природу темної матерії. Моделі того, як Всесвіт розвинув свою нинішню структуру — космічну павутину, сплетену перламутровими нитками галактик — передбачають, що частинки темної матерії, ким би вони не були, збиралися в маленькі, гравітаційно пов’язані згустки протягом перших кількох сотень тисяч років після Великого вибуху. Багато з цих згустків злилися і врешті-решт затягнули видиму речовину. Вони виросли в насіння галактик. Але деякі з найменших темних ореолів, які не злилися, повинні все ще існувати як «залишки формування структури в ранньому Всесвіті», сказав Етан Надлер, астрофізик в Обсерваторіях Карнегі та Університеті Південної Каліфорнії. «Ніби машина часу».

Пошук і зважування цих реліктових згустків допомогло б фізикам посилити контроль над базовою фізикою темної матерії, включаючи масу таємничої частинки та її «температуру», дещо оманливий термін, який описує швидкість, з якою хмари окремих частинок мчать навколо.

Одним із головних підозрюваних у таємниці темної матерії є холодна темна матерія, клас моделей, у яких винуватцями є відносно важкі та мляві частинки; одним із прикладів є слабко взаємодіюча масивна частинка, або WIMP. Якщо ці теорії правильні, такі частинки могли б легко осісти в самогравітаційні згустки в ранньому Всесвіті, деякі з яких могли бути такими ж малими, як маса Землі. Сьогодні ці тривалі міні-гало темної матерії все ще мають дрейфувати всередині та навколо більшого колективного гало галактик, таких як Чумацький Шлях.

Але якби більш легкі частинки темної матерії рухалися крізь ранній космос швидше, як припускає конкуруючий клас моделей «теплої» темної матерії, могли б утворитися лише більші згустки з сильнішим гравітаційним тяжінням. Ці моделі припускають, що існує обмеження для структур темної матерії, мінімальна маса, під якою гало не існує. Тож щоразу, коли хтось виявляє новий, найменший відомий темний ореол (наприклад, передбачуваний між Землею та Мотрою), теоретики змушені виключати сценарії поступового охолодження.

Інший популярний клас моделей, званий нечіткою темною матерією, передбачає лише шепіт частинок темної матерії — можливо, 10²⁸ разів легший за електрон. Наприклад, гіпотетичні частинки, які називаються аксіонами, можуть бути в цьому діапазоні розмірів і також відносно холодними. Ці пір’їнні ваги поводилися б більше як хвилі, ніж частинки, що пливуть галактиками. Подібно до теплої темної матерії, це хвилеподібне втілення не утворює гравітаційно зв’язаних згустків у масштабах маси, менших за галактики. Але надлегка темна матерія мала б ще щось сказати. Коли хвилі нечіткої темної матерії натикаються одна на одну в межах гало, вони можуть утворювати дрібніші інтерференційні візерунки, які називаються гранулами — зернисті області, де щільність темної матерії вища, — які нададуть власну вимірну гравітаційну сигнатуру.

Щоб виключити деякі з цих теорій, потрібно знайти — або явно не знайти — гало темної матерії з дедалі меншою масою. Пошук розпочався з виявлення найменших відомих ореолів, які сповивають карликові галактики, згустки темної матерії, які все ще важать сотні мільйонів сонячних мас, і зараз він прокладає свій шлях у невідоме. Однак проблема полягає в тому, що цим гіпотетичним маленьким темним гало, ймовірно, не вистачає гравітаційної сили, необхідної для притягування звичайної матерії та запалювання зірок. Їх не можна побачити прямо — це лише важкі тіні. «Велося полювання на докази», — сказав Меттью Уолкер, астрофізик Університету Карнегі-Меллона. «Це просто важко знайти».

Уроки з лінз

Сучасні найдосконаліші пошуки маленьких темних суб-гало пов’язані з майже дивовижним явищем: гравітаційним лінзуванням. За словами Ейнштейна, гравітаційні лінзи являють собою області викривленого простору-часу, що оточують масивний об’єкт. Гравітаційне поле цього об’єкта — лінза — спотворює та фокусує фонове світло так само, як лупа може збільшити зображення мурахи або сконцентрувати сонячне світло настільки, щоб запалити вогонь.

Кожне вирівнювання лінз включає джерело світла, що світить з далеких берегів Всесвіту, і саму лінзу. Часто ці лінзи є масивними галактиками або скупченнями галактик, які спотворюють простір-час і космічним випадком виявляються вирівняними між цим віддаленим джерелом і Землею. Лінзи створюють цілий ряд оптичних ефектів, від світлових дуг до кількох копій того самого фонового джерела до сильно збільшених зображень об’єктів, які інакше були б занадто далекі, щоб побачити.

У 2017 році астрономи сфотографували космос лише використовуючи рибальство. Ікар, зірка, яка яскраво горіла приблизно 9 мільярдів років тому. Нещодавно вони знайшли Еарендел віком майже 13 мільярдів років, нинішнього рекордсмена найдавнішої зірки, яка проливає якомога більше світла сама по собі як 1 мільйон сонць. Вони також помітили Годзіллу, жахливо енергійну далеку зірку зазнає вибухового спалаху, а також монстр Годзілли Мотра, який, здається, є подібним типом змінного об’єкта. («І так, нам це весело», — сказав Дієго про процес призначення своєї команди.)

Але гравітаційні лінзи — це не просто портали на інший бік Всесвіту. Мисливці за темною матерією давно вважали лінзи не менш цікавими, ніж те, що вони збільшують. Точні способи, якими лінза деформує та спотворює фонове зображення, відповідають тому, як маса розподіляється в лінзовій галактиці або скупченні та навколо них. Якщо темна матерія існує у вигляді маленьких беззоряних згустків у відомій структурі гало розміром з галактику, тоді астрономи повинні також бачити світло, що згинається навколо цих згустків.

Найменші темні гало, виявлені за допомогою цього методу, вже конкурують з найменшими гало, виміряними навколо карликових галактик. У 2020 році команда, до складу якої входив Ніренберг, використала космічний телескоп Хаббла та обсерваторію Кека на Гаваях, щоб переглянути збільшені зображення квазарів — палаючих маяків світла, випромінюваного речовиною, що падає в чорні діри, — і знайшли докази існування темних гало розміром у сотні мільйонів сонячних мас. Це той самий приблизний розмір гало, пов’язаний із найменшими галактиками, рівень статистичної згоди, який Надлер у дослідження опублікований наступного року, використаний для виключення моделей теплої темної матерії, що складаються з частинок, легших приблизно за 1/50 електрона, в яких ніколи не можуть утворитися такі мініатюрні згустки.

Тим часом цього року дві команди використовували лінзові квазари, щоб шукати крупинки нечітких, легких частинок темної матерії — крупинки, які утворювалися в результаті процесу, схожого на той, який створює брижі на поверхні плавального басейну, згідно з першим автором. одного з цих досліджень, Девон Пауелл Інституту астрофізики Макса Планка. «Ви отримуєте такий хаотичний, нерівний розподіл матерії», — сказав він. «Це просто перешкоди хвиль».

Аналіз його команди, опублікований у червні в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, не знайшов доказів для хвилеподібні ефекти темної матерії на зображеннях високої роздільної здатності дуг світла від однієї гравітаційної лінзи, що свідчить про те, що темна частинка має бути важчою за найменших нечітких кандидатів. Але квітневе дослідження в Природа астрономії, на чолі з Альфред Амрут Університету Гонконгу подивилися на чотири копії фонового квазара в лінзах і дійшли протилежного висновку: лінза з нечіткої темної матерії, вони стверджували, краще пояснити невеликі коливання їх даних. (Суперечливі висновки не були б цілком дивними, враховуючи, що очікувані сигнали є непомітними, а експериментальний підхід є новим, кажуть експерти поза межами обох команд Quanta.)

Тим часом Ніренберг та її колеги провели останній рік, використовуючи JWST для спостереження за гравітаційними лінзами, які збільшують квазари, з попередньою метою опублікувати свій перший аналіз у вересні. Теоретично вони підрахували, що здатність JWST розкривати дрібномасштабну структуру в лінзах повинна виявити, чи існують темні гало як повністю невидимі, беззіркові згустки з діапазоном розмірів у десятки мільйонів сонячних мас. Якщо так, то ці ореоли накладуть найсильніше обмеження на те, наскільки «теплою» може бути темна матерія.

Цей навіть новіший метод спостереження за екстремальними, далекими зірками, такими як Мотра, через гравітаційні лінзи може незабаром перейти від визначення одноразових цікавинок до того, щоб стати звичайною рисою астрономії в епоху JWST. Якщо Дієго та його колеги мають рацію, і вони можуть побачити Мотру, оскільки її лінзує згусток темної матерії вагою менше кількох мільйонів сонячних мас, лише це спостереження виключає широкий діапазон моделей теплої темної матерії. Але він все одно підтримуватиме як холодну, так і нечітку темну матерію, хоча в останньому випадку — коли додаткове збільшення Мотри відбувається від щільної гранули темної матерії замість гравітаційно пов’язаного згустку — це все одно змусить нечітку темну матерію у вузький діапазон. можливих мас.

За словами Дієго, астрономи відкопують ще багато зірок із лінзами за допомогою Хаббла та JWST, стежачи за іншими аномальними оптичними викривленнями, які можуть виникнути через те, що світло зірок огинає маленькі темні об’єкти. "Ми тільки починаємо дряпати поверхню", - сказав він. «Сьогодні я мало відпочиваю».

Темні острови в потоці зірок

Інші пошуки малих гало темної матерії зосереджені на набагато ближчих зірках — зірках у стримерах поблизу Чумацького Шляху та подвійних зірках у сусідніх карликових галактиках. У 2018 році Ана Бонака, тепер астрофізик в обсерваторіях Карнегі, поспішав завантажити дані з космічного корабля Європейського космічного агентства Gaia, який вимірює рух майже 2 мільярдів зірок у Чумацькому Шляху. Бонака відсортував ці початкові спостереження та виділив інформацію від зірок, що належать до структури під назвою GD-1. За її словами, те, що вона побачила, було «одразу надзвичайно захоплюючим». «Ми поспішили написати статтю протягом наступного тижня чи близько того».

GD-1 — це зоряний потік, нещільний рядок зірок Чумацького Шляху, який — якби ви могли розрізнити його неозброєним оком — простягнувся б більше половини нічного неба. Ці зірки давно були викинуті з кульового зоряного скупчення; тепер вони обертаються навколо Чумацького Шляху по обидва боки від цього скупчення, гойдаючись позаду та попереду його шляху, як буї, що позначають міжзоряний канал.

У їх аналізі GD-1, команда Бонаки знайшла теоретичний відбиток пальця, що перебуває між собою шматок темної матерії. Зокрема, частина GD-1 здавалася розділеною на дві частини, ніби масивний невидимий об’єкт пройшов крізь слід, тягнучи за собою зірки. За їхніми підрахунками, цей об’єкт, що пролітає повз, міг бути субгало темної матерії вагою в кілька мільйонів сонячних мас, що робить його також претендентом на найменший передбачуваний згусток темної матерії та потенційну загрозу для більш підсмажених варіантів теплої темної матерії. .

Але як перетворити окремий результат на щось більш статистичне? За словами Бонаки, на даний момент астрономи зафіксували близько 100 зоряних потоків. Хоча лише деякі з них були детально вивчені, кожен із них має свої власні незвичайні перегини та вигини, які можуть виникнути внаслідок гравітаційних зіткнень із такими ж маленькими темними об’єктами. Але спостереження ще не остаточні.

«Я вважаю, що найкращий шлях вперед — це аналізувати потоки одночасно, — сказала вона, — щоб зрозуміти, скільки [ціх незвичайних особливостей] походить від темної матерії».

У ще менших масштабах Уокер з Карнегі-Меллона минулого року сканував спостереження JWST карликових галактик у пошуках найбільш крихких зоряних систем, які він міг знайти: подвійних зірок, які дуже далеко одна від одної та утримуються разом у нещільних гравітаційних обіймах. Якщо малі темні гало — типи об’єктів, яких, за словами моделей холодної темної матерії, повинно бути багато, — постійно пролітають повз і впливають на навколишнє середовище гравітаційним впливом, ці дуже широкі подвійні системи не повинні існувати. Але якщо широкі подвійні системи все-таки з’являються, це означає, що малих темних ореолів немає — це завдає удару по тілу багатьох моделей холодної темної матерії, які їх передбачають.

«Це я називаю антипошуком субгалактичних ореолів темної матерії», — сказав Уокер.

Переміщення в стінах

Пошуки космічних тіней все ще є невеликою частиною більших зусиль, спрямованих на прикріплення до чогось, що поки що звивалося поза межами досяжності. Продовжуються земні експерименти, призначені для захоплення частинок, які б відповідали парадигмам нечіткої, теплої та холодної темної матерії; Команди все ще шукають інші ознаки фізики темної матерії, від побічних продуктів, які утворюються, якщо і коли частинки взаємодіють із нормальною матерією, до тонкого питання про те, як щільність темної матерії підвищується та падає в темних гало, що залежить від того, як темні частинки взаємодіють. один з одним.

Трейсі Слейтер, фізик-теоретик з Массачусетського технологічного інституту, візуалізує таємницю темної матерії як величезну коробку, повну безлічі можливостей, але містить лише одну правильну відповідь. У цій аналогії її стратегія полягає в тому, щоб глибоко проникнути в цю коробку з конкретними, неспростовними ідеями про властивості частинок темної матерії. Проте сторони коробки представляють єдині правдиві обмежувальні факти, які можуть надати астрономи, наприклад, верхні межі того, наскільки теплою може бути темна матерія, і нижні межі того, наскільки нечіткою — або легкою — вона може бути.

Якби астрономи могли впевнено виявляти повністю темні космічні об’єкти в діапазоні мільйона сонячних мас, це було б «спостережним успіхом», – сказав Слейтер. «Це було б неймовірно». Стінки її коробки рухалися всередину, звужуючи простір для можливостей.

Новітні технології можуть незабаром перетворити ці різноманітні пошуки від ранніх спроб у темряві до глибших набігів на тіньові структури, які скріплюють Всесвіт. JWST поглибить своє вивчення гравітаційних лінз у найближчі роки; Група Ніренберга, наприклад, розпочала роботу з восьми таких систем, але з часом планує проаналізувати 31 із них. Коли його запустять у 2027 році, Римський космічний телескоп Ненсі Грейс, обсерваторія типу Хаббла з набагато ширшим полем зору, має полегшити панорамування карликових галактик, як це робить Уокер. Обсерваторія Віри С. Рубін, названа на честь астронома-новатора, чиї спостереження змусили дослідників серйозно поставитися до таємниці темної матерії, розкриє більше деталей про зоряні потоки, коли почне спостереження з Чилі у 2024 році. Разом дві обсерваторії має виявити тисячі нових гравітаційних лінз, які можна шукати в пошуках темних субструктур.

Поки що жодне зі спостережень не спростувало популярних моделей холодної темної матерії, які передбачають, що Всесвіт усіяний все меншими і меншими згустками речовини. Поки астрономи продовжують виснажливу роботу з пошуку цих згустків, багато теоретиків і експериментаторів сподіваються, що експеримент з фізики елементарних частинок на Землі набагато швидше розкриє суть таємниці. Але виявлення цих ізольованих осередків темряви — і будь-якої складної фізики, яка їх супроводжує — це все одно, що «отримати чистішу лабораторію», — сказав Слейтер. «Ми перебуваємо у захоплюючий час».