Ciemne gwiazdy mogą pomóc rozwiązać trzy palące zagadki dotyczące Wszechświata. Najnowsze badania dostarczają odpowiedzi na trzy pozornie rozbieżne, ale pilne zagadki dotyczące świtu kosmosu.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) miał być urządzeniem, które ostatecznie potwierdzi nasze teorie o początkach wszystkiego. Tymczasem, od kiedy tylko zaczął przesyłać pierwsze dane, astronomowie drapią się w głowy.
Zamiast zgodnego z naszym wyobrażeniem obrazu młodego kosmosu, w którym widać tylko ledwie zalążki pierwszych galaktyk i młode czarne dziury, zobaczyliśmy coś, co wymyka się naszym obliczeniom i wiedzy.
Webb dostrzegł obiekty, które są zbyt duże, zbyt jasne i uformowały się zdecydowanie zbyt gwałtownie w młodym Wszechświecie, by pasować do standardowych modeli.
Teraz jednak grupa naukowców pod przewodnictwem prof. Cosmina Ilie z Colgate University opublikowała na łamach czasopisma Universe niezwykle interesującą pracę, która może pogodzić te sprzeczności. Rozwiązaniem mają być gigantyczne i fascynujące ciemne gwiazdy.
Trzy zagadki, które spędzają sen z powiek astronomom
Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, musimy spojrzeć 13 mld lat wstecz, do ery zwanej kosmicznym świtem. To wtedy, około kilkuset milionów lat po Wielkim Wybuchu, zaczęły formować się pierwsze struktury.
Około kilkaset milionów lat świetlnych po Wielkim Wybuchu obłoki molekularne wodoru i helu ostygły na tyle, iż rozpoczął się proces zapadania się grawitacyjnego, który ostatecznie doprowadził do powstania pierwszych gwiazd. Zjawisko to zapoczątkowało erę kosmicznego świtu, czyli okres, w którym panują odpowiednie warunki do formowania się gwiazd.
Webb pokazał nam tam trzy rzeczy tego okresu, których nie potrafiliśmy wyjaśnić. Po pierwsze, tak zwane „niebieskie potwory”, czyli galaktyki ekstremalnie jasne, a jednocześnie ultrakompaktowe i niemal całkowicie pozbawione pyłu. Istnienie takich galaktyk było ogromnym zaskoczeniem. Żaden model teoretyczny powstawania pierwszych galaktyk i żadna symulacja przeprowadzona przed erą Webba nie przewidywała istnienia takich obiektów w tak wczesnym Wszechświecie.
Drugim problemem są „małe czerwone kropki”. Są „czerwone”, ponieważ światło z nich podróżuje miliardy lat, a rozciąganie się przestrzeni kosmicznej przesuwa je w kierunku czerwieni (przesunięcie ku czerwieni, ang. redshift). To fascynujące, bardzo, ale to bardzo odległe obiekty wykryte przez Teleskop Jamesa Webba (JWST), które są prawdopodobnie wczesnymi galaktykami lub niezwykle jasnymi, ale małymi wczesnymi supermasywnymi czarnymi dziurami (kwazarami).
Naukowcy odkryli, iż tajemnicze obiekty nazwane „małe czerwone kropki”, pojawiają się masowo około 600 mln lat po Wielkim Wybuchu i gwałtownie znikają około 1,5 mld lat po tym wydarzeniu. Zdjęcie: NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)Tu jednak pojawia się klasyczny zonk. Wprawdzie wiemy, iż „małe czerwone kropki” to obiekty niezwykle gęste, ale analizy wykazały brak pyłu w ich okolicy, tak charakterystycznego dla kwazarów. Co więcej, w przeciwieństwie do typowych aktywnych jąder galaktyk, te kropki prawie nie emitują promieniowania rentgenowskiego.
Trzecim elementem układanki są supermasywne czarne dziury. Znajdujemy je w sercach najstarszych galaktyk, ale są one tak ogromne, iż zgodnie z naszą wiedzą o tempie pochłaniania materii, po prostu nie miały czasu, by urosnąć do takich rozmiarów w tak krótkim czasie od powstania Wszechświata.
Więcej na Spider’s Web:
Ciemna materia jako paliwo
W tym momencie na scenę wchodzą ciemne gwiazdy. Oczywiście, ciemne są one tylko z nazwy. Chodzi o mechanizm ich świecenia.
Klasyczne gwiazdy, jak nasze Słońce, świecą dzięki fuzji termojądrowej wodoru w hel. Ciemne gwiazdy działają zupełnie inaczej. Formują się one w centrach halo ciemnej materii, gdzie gęstość tej tajemniczej substancji jest największa. Tam cząsteczki ciemnej materii mogą ulegać anihilacji, zderzać się i zamieniać w czystą energię.
Ta energia zapobiega zapadaniu się obłoku gazu (wodoru i helu) do stanu normalnej, gęstej gwiazdy. Zamiast tego powstaje gigantyczny, stosunkowo chłodny (w porównaniu do jądra Słońca) i bardzo rozdęty obiekt.
Ciemna gwiazda może urosnąć do masy milionów słońc i być miliardy razy (!!!) jaśniejsza od naszej gwiazdy dziennej. To klucz do zagadki: jedna taka ciemna gwiazda mogłaby świecić tak jasno, iż z naszej perspektywy wyglądałaby jak cała galaktyka. To tłumaczyłoby, dlaczego „niebieskie potwory „są tak kompaktowe. To po prostu nie są galaktyki pełne miliardów małych gwiazd, ale pojedyncze, kolosalne obiekty zasilane ciemną materią.
Dowody ukryte w świetle helu
Zespół prof. Ilie, we współpracy z badaczami z University of Pennsylvania oraz University of Texas at Austin, przedstawił analizy spektroskopowe, które rzucają nowe światło na obiekt o nazwie (równie uroczej, jak większość nazw w astronomii) JADES-GS-z13-0. Wcześniej podobne sygnały dostrzeżono w obiekcie JADES-GS-z14-0.
To zdjęcie w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba NASA zostało wykonane przez kamerę NIRCam (kamerę bliskiej podczerwieni). Przesunięcie ku czerwieni jednej z takich galaktyk, JADES-GS-z14-0 (pokazanej na zdjęciu), wynosiło 14,32 (+0,08/-0,20), co czyni ją w tej chwili rekordzistką pod względem najodleglejszej znanej galaktyki. Odpowiada to czasowi krótszemu niż 300 mln lat po Wielkim Wybuchu. Źródło: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA)Naukowcy odkryli w nich specyficzne sygnatury absorpcji helu. W typowych modelach wczesnych galaktyk takie linie widmowe są trudne do wytłumaczenia, ale w przypadku ciemnych gwiazd są one naturalnym odciskiem palca.
Jeśli te obiekty rzeczywiście istnieją, rozwiązują one również problem gigantycznych czarnych dziur. Kiedy ciemnej gwieździe kończy się paliwo w postaci ciemnej materii, zapada się ona bezpośrednio w czarną dziurę.
Ponieważ sama gwiazda była już supermasywna, powstaje z niej potężny zalążek, który nie musi rosnąć od zera. To wyjaśnia, dlaczego już w bardzo młodym wszechświecie widzimy obiekty o masach, które teoretycznie powinny powstawać miliardy lat dłużej.
Klucz do zrozumienia natury wszechświata
Choć ciemne gwiazdy wciąż czekają na ostateczne, bezpośrednie potwierdzenie, badania te są przełomowe z jeszcze jednego powodu. Pozwalają nam one badać samą ciemną materię, substancję, która stanowi około 27 proc. energii-masy wszechświata, a której nigdy nie widzieliśmy.
Jeśli dowiemy się, jak ciemna materia zasila gwiazdy, poznamy adekwatności jej cząstek, co byłoby jednym z największych odkryć w historii fizyki.
To fascynujący moment dla astronomii. Narzędzie takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (James Webb Space Telescope JWST) nie tylko pozwala nam patrzeć dalej, ale zmusza nas do przedefiniowania tego, co wiemy o fizyce. Ciemne gwiazdy mogą okazać się brakującym ogniwem, które sprawi, iż obraz kosmicznego świtu znów stanie się spójny.
