W świecie astronomii pojawiają się przełomowe chwile, które radykalnie przekształcają nasze pojmowanie wszechświata. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba mógł właśnie dostarczyć nam takiego epokowego odkrycia, otóż możliwe, że natrafił w swoich obserwacjach na pierwsze ślady istnienia tajemniczych „ciemnych gwiazd”. Czy gwiazdy zbudowane z ciemnej materii faktycznie mogą istnieć?
W najnowszych obserwacjach wykonanych przez JWST naukowcy mogli natrafić na niespotykany dotąd rodzaj gwiazd. Obiekty nazywane „ciemnymi gwiazdami”, mogą być napędzane nie przez fuzję jądrową, jak to jest w przypadku typowych gwiazd, ale przez samo-anihilującą ciemną materię. Co prawda badacze potrzebują jeszcze więcej dowodów, aby móc z całkowitą pewnością potwierdzić, że mamy do czynienia właśnie z ciemnymi gwiazdami. W przypadku tak ważnych, wręcz epokowych odkryć, potrzeba czasu i potwierdzenia przez wielu niezależnych od siebie naukowców. Jeśli jednak przypuszczenia okażą się prawdziwe, mogą one zrewolucjonizować nasze zrozumienie wszechświata i tego jak powstawały pierwsze gwiazdy.
W najnowszym artykule opublikowanym w „Proceedings of the National Academy of Sciences USA”, zespół naukowców przedstawił wyniki swoich badań. Pokazali, że co najmniej trzy obiekty zaobserwowane przez JWST, wcześniej uważane za galaktyki, mogą być pojedynczymi, supermasywnymi ciemnymi gwiazdami. Katherine Freese, astrofizyk z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin, współautorka badania, podkreśla, że odkrycie nowego rodzaju gwiazdy byłoby ogromnym przełomem.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Mimo nazwy, ciemne gwiazdy mogły świecić miliard razy jaśniej niż nasze Słońce i osiągać masę miliony razy większą niż masa Słońca. Symulacje kosmologiczne sugerują, że powinny one powstać niedługo po Wielkim Wybuchu z czystych chmur wodoru i helu, które skupiły się w centrach młodych protogalaktyk bogatych w ciemną materię.
Choć badacze nie mogą, póki co potwierdzić, że obserwowane obiekty to z całą pewnością ciemne gwiazdy, ich właściwości są zgodne z opisem zarówno ciemnych gwiazd, jak i galaktyk posiadających zwykłe gwiazdy napędzane fuzją jądrową. Cosmin Ilie, współautor badania i astrofizyk z Uniwersytetu Colgate w Stanie Nowy Jork, podkreśla, że technologia JWST jest wystarczająco zaawansowana, aby dokonać tego rozróżnienia. Jednak do potwierdzenia potrzeba więcej czasu obserwacji. Ilie ma jednak nadzieję, że jeszcze “za życia” JWST uda się potwierdzić chociaż jedną z tych ciemnych gwiazd.
Istnieją dwie teorie dotyczące powstania pierwszych gwiazd we wszechświecie. Tradycyjna teoria mówi o gwiazdach trzeciej populacji, napędzanych przez fuzję jądrową, podobnie jak dzisiejsze gwiazdy, ale składających się prawie wyłącznie z wodoru i helu. W dwa tysiące ósmym roku Freese wraz z zespołem zaproponowali alternatywną teorię: pierwsze gwiazdy mogły być napędzane przez ciemną materię.
Źródło zdjęcia: NASA / ESA
W początkach wszechświata ciemne gwiazdy mogły powstawać z kolapsu chmur helu i wodoru utworzonych podczas Wielkiego Wybuchu. Jeśli cząstki ciemnej materii posiadałyby również swoje własne antycząstki, w tych chmurach dochodziłoby do ich kolizji i samo-anihilacji. Ten proces mógłby zapoczątkować łańcuch rozpadu cząstek, który kończy się produkcją fotonów, par elektron-pozyton i neutrino. Tylko neutrino opuszczałyby chmurę, ze względu na to, że słabo oddziałują z materią. Inne cząstki transferowałyby energię do wodoru i helu, co prowadziłoby do podgrzewania chmur, napędzania formacji i wzrostu gwiazdy.
Ciemne gwiazdy mogłyby formować się we wczesnych protogalaktykach istniejących około dwieście milionów lat po Wielkim Wybuchu, zanim powstały pierwiastki cięższe niż wodór i hel. Właśnie ten obszar, składający się prawie wyłącznie z ciemnej materii stanowiłyby idealne warunki do napędzania ciemnych gwiazd.
Kończąc swoje życie, duże ciemne gwiazdy zapadałyby się w supermasywne czarne dziury. Mogłoby to wyjaśniać istnienie obserwowanych w kosmosie starożytnych supermasowynych czarnych dziur, które wydają się zbyt duże, aby powstać tak szybko z gwiazd napędzanych fuzją jądrową.
Aby szukać ciemnych gwiazd, Freese, Ilie oraz studentka Jillian Paulin przeszukali katalog obiektów, które JWST zidentyfikował jako pochodzące z wczesnego wszechświata, z okresu sprzed prawie czternastu miliardów lat. Z tych obiektów tylko dziewięć miało wystarczająco dużo danych na temat ich emisji elektromagnetycznej, aby były użyteczne dla badań. A z nich, tylko trzy pasowały do opisu ciemnych gwiazd. Charakteryzowały się one dużym przesunięciem ku czerwieni, co jest oznaką starych i odległych obiektów, oraz mogły pochodzić z pojedynczego źródła, takiego jak gwiazda, a nie rozmytej galaktyki, mówi Paulin.
Ciemne gwiazdy mogą istnieć przez setki milionów lat, zanim skończyłby się ich żywot. Jeśli tak, to obserwacje JWST uchwyciłyby je w trakcie tej ciemnej fazy ich istnienia. Jednak zanim naukowcy będą mogli jednoznacznie stwierdzić, czy te obiekty to ciemne gwiazdy, potrzebują więcej danych. Zamierzają wrócić do danych z JWST i ponownie spojrzeć na te obiekty, aby zbadać je dokładniej.
Dalsze obserwacje pomogą naukowcom w określeniu właściwości tych tajemniczych obiektów oraz porównaniu ich z teoretycznymi modelami ciemnych gwiazd. Aby potwierdzić ich istnienie, badacze muszą zbadać ich spektrum światła. Jeśli rzeczywiście są napędzane przez samo-anihilację ciemnej materii, ich spektrum powinno różnić się od gwiazd napędzanych fuzją jądrową.
Dodatkowo, jeśli te obiekty są naprawdę ciemnymi gwiazdami, powinny charakteryzować się pewnymi unikalnymi właściwościami, takimi jak brak cięższych pierwiastków oraz specyficzną emisją promieniowania. Współpraca z innymi teleskopami, takimi jak Hubble, ALMA i nowo budowane teleskopy na ziemi, takie jak Extremely Large Telescope (ELT) w Chile, może pomóc w uzyskaniu pełniejszego obrazu tych obiektów.
Jest też wiele innych zagadek do rozwiązania. Jeśli ciemne gwiazdy naprawdę istniały, jak wpłynęły na rozwój wczesnego wszechświata? Czy miały one wpływ na formowanie się galaktyk? Jakie role odgrywały w procesie rejonizacji wszechświata?
Freese, Ilie i Paulin, wraz z międzynarodowym zespołem naukowców, planują przeprowadzić bardziej zaawansowane symulacje kosmologiczne, które mogą dostarczyć więcej informacji również w tych obszarach.
Wśród największych tajemnic wszechświata, które wciąż stanowią wyzwanie dla współczesnej nauki, ciemna materia wydaje się być jedną z najbardziej intrygujących. Chociaż nie możemy jej bezpośrednio zaobserwować, jej obecność jest silnie sugerowana przez różne obserwacje astronomiczne, takie jak chociażby mikrosoczewkowanie grawitacyjne. Czym zatem jest ciemna materia i dlaczego jej poszukiwanie jest tak istotne dla naszego zrozumienia kosmosu?
Najnowsze filmy
Znana nam materia, z której składają się gwiazdy, planety i my sami, stanowi jedynie niewielki fragment całej masy wszechświata. Reszta, niewidoczna dla naszych teleskopów, to ciemna materia. Główne dowody jej istnienia pochodzą z obserwacji ruchu gwiazd w galaktykach oraz efektu soczewkowania grawitacyjnego, które sugerują obecność dużej ilości masy, niewykrywalnej w tradycyjny sposób.
Szacuje się, że ciemna materia stanowi około osiemdziesiąt pięć procent masy całej materii we wszechświecie, jako pierwszy jej istnienie zaproponował Franz Zwicky w roku tysiąc dziewięćset trzydziestym trzecim. Stwierdził więc, że oddziaływanie grawitacyjne zwykłej materii widzialnej jest niewystarczające, aby utrzymać galaktyki w obrębie gromady i musi istnieć jakiś inny rodzaj niewidzialnej materii, która oddziałuje grawitacyjnie na galaktyki i trzyma je w ryzach.
W późniejszych latach naukowcy doszli również do wniosków, że musi ona odgrywać jedną z głównych ról w procesach formowania i kształtowania galaktyk. Cały czas próbujemy w jakiś sposób potwierdzić jej istnienie. Na Ziemi funkcjonuje już pięć detektorów ciemnej materii, ale niestety żaden z nich nie zaobserwował jej bezpośrednio, a więc nie mamy namacalnych dowodów na to, że faktycznie istnieje.
Inni badacze zaczęli również zastanawiać się nad tym, jakie inne tajemnice wszechświata mogą być ukryte w obserwacjach JWST. Teleskop ma bowiem potencjał do odkrywania nie tylko ciemnych gwiazd, ale również innych tajemniczych obiektów, takich jak pierwsze czarne dziury czy gwiazdy trzeciej populacji.
Ciemna materia jest jednym z największych zagadek kosmologii. Jej istnienie można wnioskować tylko pośrednio poprzez jej grawitacyjne oddziaływanie z widoczną materią. Jej bezpośrednia obserwacja lub detekcja w laboratorium jest trudna, ponieważ nie wchodzi w interakcje z promieniowaniem elektromagnetycznym tak, jak zwyczajne atomy.
Jeśli odkrycie ciemnych gwiazd się potwierdzi, otworzy to drzwi do zupełnie nowego rozumienia ewolucji wszechświata. Może to także dostarczyć pierwszych realnych dowodów na to, jakie cząstki składają się na ciemną materię. Wyobraź sobie wszechświat, w którym pierwsze gwiazdy nie są napędzane przez fuzję jądrową, ale przez anihilację cząstek ciemnej materii. To byłoby przełomem w naszym rozumieniu historii kosmicznej. Wprowadziłoby to zupełnie nowe pojęcie o tym, jak narodziły się pierwsze struktury w wszechświecie.
Wykorzystanie Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba w poszukiwaniu ciemnych gwiazd to dowód na to, jak daleko zaszła technologia obserwacyjna. Mimo że JWST nie został stworzony wyłącznie w tym celu, jego zdolności do głębokich obserwacji dają astronomom narzędzie do badania najbardziej odległych i tajemniczych zakątków wszechświata.
W końcu, jeśli ciemne gwiazdy są rzeczywiste, to zmuszą nas do przemyślenia podstawowych założeń o ewolucji wszechświata. Czy inne tajemnice czekają na odkrycie w zakamarkach kosmosu? Czas pokaże. Jedno jest pewne: dzięki takim badaniom i technologiom, jak JWST, jesteśmy bliżej zrozumienia naszego miejsca w nieskończoności kosmicznej przestrzeni niż kiedykolwiek wcześniej.
