Wiele wskazuje na to, że odkryliśmy pierwsze gwiazdy zasilane ciemną materią. Co o nich wiemy?

Spis treści:

1. Ciemne gwiazdy zasilane ciemną materią
2. Obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
3. Hipoteza supermasywnych gwiazd pierwotnych
4. Zagadka tlenu

Astronomowie znaleźli najsilniejsze jak dotąd dowody na istnienie ciemnych gwiazd, czyli ogromnych, zasilanych częściowo tzw. ciemną materią obiektów powstałych we wczesnym Wszechświecie. Badacze liczą, że pomoże to wyjaśnić, dlaczego w trakcie obserwacji wczesnych etapów ewolucji Wszechświata dostrzegamy tajemnicze, ogromne czarne dziury. A choć nowe dane są intrygujące, nie wszyscy astronomowie są przekonani do tego odkrycia.

Ciemne gwiazdy zasilane ciemną materią

Zacznijmy od tego czym są tzw. ciemne gwiazdy zasilane ciemną materią. Sam termin po raz pojawił się w literaturze naukowej wraz z opublikowaniem przez Katherine Freese z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin i jej współpracowników artykułu „Dark Matter and the First Stars: A New Phase of Stellar Evolution”. Wówczas, w 2007 roku, badacze zasugerowali, że ogromne chmury wodoru i helu we wczesnym Wszechświecie mogły zmieszać się z pewną formą ciemnej materii, tworząc masywne, stabilne gwiazdy. Bez ciemnej materii tak duże chmury gazu zapadłyby się, tworząc czarną dziurę. Jednak energia pochodząca z anihilacji ciemnej materii mogła temu zapobiec, umożliwiając ogrzanie się gazu i utworzenie obiektu podobnego do gwiazdy, mimo braku fuzji jądrowej, która ma miejsce w większości zwykłych gwiazd.

Hipoteza ciemnych gwiazd bazuje m.in. na tym, że we wczesnym Wszechświecie panowała większa gęstość ciemnej materii, co umożliwiło jej gromadzenie się w centrach protogwiazd. Cząstki ciemnej materii w centrum gwiazdy, np. tzw. WIMPy – Weakly Interacting Massive Particles – anihilując, produkują energię. Ta energia „podgrzewa” materię gwiazdy, zapobiegając jej zapadaniu się i umożliwiając utrzymanie stabilnej struktury bez rozpoczęcia fuzji jądrowej. Ciemne gwiazdy byłyby znacznie większe (nawet setki razy większe od Słońca), ale stosunkowo chłodne – świecące w podczerwieni.

Obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba

Do 2022 roku nie było zbyt wielu dowodów na istnienie tych egzotycznych obiektów. Jednak wówczas pojawiły się prowadzone w podczerwieni obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Właśnie on pozwolił wykryć niezwykle dużą liczbę bardzo jasnych, odległych obiektów powstałych zaledwie kilka milionów lat po Wielkim Wybuchu, które astronomowie uznali za prawdopodobne galaktyki. Jednak prof. Freese i jej zespół wykazali, że trzy z tych galaktyk pasowały również do kilku właściwości symulacji ciemnych gwiazd, takich jak ich okrągły profil i podobna intensywność światła. Brakowało im tylko szczegółowych danych spektroskopowych, aby dokonać ostatecznego odkrycia.

Po zebraniu kolejnych danych Freese i jej współpracownicy twierdzą, że nowe obserwacje spektroskopowe tych wczesnych galaktyk dobrze pokrywają się z teoretycznymi przewidywaniami dotyczącymi wyglądu ciemnych gwiazd. Zidentyfikowali również kolejne dwie kandydatki na ciemne gwiazdy. Jedna z nich zawiera również intrygującą wskazówkę dotyczącą określonego rodzaju helu – pozbawionego elektronu – który, jeśli zostanie potwierdzony, byłby unikatowym identyfikatorem ciemnych gwiazd.

– Jeśli to wszystko się potwierdzi, to nie wiem, jak inaczej niż ciemną gwiazdą można wyjaśnić te obserwacje – twierdzi prof. Freese. Badaczka podkreśla jednak, że dowody na to są jak dotąd ograniczone.

Hipoteza supermasywnych gwiazd pierwotnych

Wciąż stosunkowo niewielka ilość danych sprawia, że wielu naukowców wątpi w hipotezę prof. Freese. Wśród nich jest m.in. Daniel Whalen z Uniwersytetu w Portsmouth w Wielkiej Brytanii. Badacz opowiada się za alternatywną interpretacją pozyskanych danych, argumentując, że tzw. supermasywne gwiazdy pierwotne, czyli alternatywne, teoretyczne wczesne gwiazdy pozbawione ciemnej materii, równie dobrze pasują do danych JWST.

– Zespół prof. Freese ignoruje całą literaturę dotyczącą powstawania supermasywnych gwiazd pierwotnych, z których niektóre mogą dawać sygnatury bardzo podobne do tych, jakie odnalazł JWST – powiedział Whalen w rozmowie z „New Scientist”. Freese nie zgadza się jednak z tym twierdzeniem, mówiąc, że jedyną prawdopodobną drogą do powstania tak masywnych gwiazd jest anihilacja ciemnej materii. – Naprawdę nie ma innego sposobu, aby je stworzyć – podkreśla badaczka.

Zagadka tlenu

Potencjalnym problemem jest to, że oddzielne obserwacje obiektów badanych przez Freese i jej współpracowników, przeprowadzone z chilijskiego teleskopu Atacama Large Millimeter Array (ALMA), wskazują na obecność tlenu. Ponieważ pierwiastek ten nie występuje w ciemnych gwiazdach, sugeruje to, że ciemne gwiazdy są zmieszane z innymi gwiazdami lub posiadają innego rodzaju towarzyszy. Tak przynajmniej twierdzi Freese. Jednak Whalen uznaje detekcję tlenu za wyraźny znak, że obiekty te nie mogą być ciemnymi gwiazdami.

Rozwiązanie zagadki ciemnych gwiazd lub – jeśli potwierdzi się hipoteza Whalena – supermasywnych gwiazd pierwotnych, może pomóc w rozwiązaniu kolejnej kosmicznej zagadki, jaką jest obfitość gigantycznych czarnych dziur odkrytych niedawno przez JWST. Obecnie uważa sie, że takie czarne dziury mogą istnieć tylko wtedy, gdy powstają z niezwykle dużych skupisk materii. Jednak we wczesnym Wszechświecie nie powinno być nic wystarczająco dużego, aby to umożliwić – z wyjątkiem ciemnych gwiazd.

Źródło: New Scientist

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.