Supermasywne Ciemne Gwiazdy: Sygnatura „Dymiącego Pistoletu” Zasilanego Ciemną Materią
Odkąd Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) rozpoczął obserwacje, dostarcza nam widoków na Wczesny Wszechświat, jakich nigdy wcześniej nie mieliśmy. Jedną z największych zagadek, którą uwypuklił JWST, jest istnienie niezwykle jasnych i masywnych galaktyk, a także supermasywnych czarnych dziur zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Ich obecność w tak krótkim czasie jest trudna do wyjaśnienia w ramach standardowych modeli.
Najnowsze badanie, prowadzone przez zespół z Uniwersytetu Colgate oraz University of Texas at Austin, dostarcza potencjalnego rozwiązania tej zagadki, identyfikując w danych JWST kandydatów na hipotetyczne obiekty, które mogą być kluczem do zrozumienia tego kosmicznego problemu: Supermasywne Ciemne Gwiazdy (Supermassive Dark Stars – SMDS).
Czym są Supermasywne Ciemne Gwiazdy (SMDS)?
Supermasywne Ciemne Gwiazdy to teoretyczne obiekty, które uformowały się z pierwotnych obłoków wodoru i helu, wkrótce po Wielkim Wybuchu. Różnią się one fundamentalnie od gwiazd, które znamy — tych zasilanych fuzją jądrową.
SMDS to niezwykle jasne, gigantyczne, ale „nadmuchane” obłoki gazu, których istnienie jest wspierane nie przez fuzję termojądrową, lecz przez coś znacznie bardziej egzotycznego: ciemną materię.
Paliwo z Ciemnej Materii
Uważa się, że ciemna materia, stanowiąca około 25% Wszechświata, składa się z nowego typu cząstek elementarnych. Wiodącymi kandydatami są WIMP-y (Weakly Interacting Massive Particles — słabo oddziałujące masywne cząstki).
Według teorii, w jądrach wczesnych obłoków gazu, które zapadały się grawitacyjnie, znajdowały się duże ilości ciemnej materii. Kiedy cząstki WIMP zderzały się ze sobą, anihilowały, uwalniając energię cieplną. To ciepło stabilizowało obłok gazu przed zapadnięciem się i przekształcało go w niezwykle jasną ciemną gwiazdę.
Supermasywne ciemne gwiazdy są gigantyczne – mogą osiągać masę miliona razy większą niż Słońce. Co najważniejsze, naukowcy przewidują, że po wyczerpaniu ciemnej materii gwiazdy te mogły się zapadać, tworząc ziarna dla wczesnych supermasywnych czarnych dziur.
Przełomowe Odkrycie JWST: Poszukiwanie „Dymiącego Pistoletu”
Zespół badawczy, w tym profesor Cosmin Ilie i współtwórczyni teorii SMDS, Katherine Freese, przeanalizował widma i morfologię czterech najbardziej odległych obiektów, jakie kiedykolwiek zaobserwowano przez JWST w ramach przeglądu JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey).
Obiekty te to JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 i JADES-GS-z11-0. Są one spójne zarówno z interpretacją galaktyczną, jak i, co rewolucyjne, z interpretacją supermasywnych ciemnych gwiazd.
Sygnatura „Dymiącego Pistoletu”
Supermasywne ciemne gwiazdy mają unikalną, wręcz „dymiącą” sygnaturę, która odróżnia je od tradycyjnych gwiazd i galaktyk: silną cechę absorpcyjną przy 1640 angstremach. Jest ona spowodowana obecnością dużych ilości pojedynczo zjonizowanego helu (He II) w ich atmosferach.
Kluczowe znalezisko: W widmie obiektu JADES-GS-z14-0 (pochodzącego zaledwie 300 milionów lat po Wielkim Wybuchu) naukowcy znaleźli oznaki tego charakterystycznego zagłębienia absorpcyjnego 1640 Å.
„To był jeden z najbardziej ekscytujących momentów podczas tych badań, kiedy znaleźliśmy zagłębienie absorpcyjne 1640 Å w widmie JADES-GS-z14-0. Jest to pierwszy raz, kiedy natrafiliśmy na potencjalną sygnaturę dymiącego pistoletu ciemnej gwiazdy. Co samo w sobie jest niezwykłe” – powiedział Cosmin Ilie.
Chociaż stosunek sygnału do szumu dla tej cechy jest stosunkowo niski i wymaga potwierdzenia, jest to najbardziej obiecujący dowód istnienia SMDS. Jeśli te obiekty zostaną definitywnie potwierdzone, zrewolucjonizują nasze rozumienie początków kosmicznych struktur i otworzą nową dziedzinę astronomii: badanie gwiazd zasilanych ciemną materią.
Na ilustracji: Region nieba w i wokół Ultragłębokiego Pola Hubble’a (Hubble Ultra Deep Field), badany w ramach przeglądu JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Właśnie w tym obszarze zidentyfikowano kandydatów na Supermasywne Ciemne Gwiazdy, pochodzących z najwcześniejszej epoki Wszechświata. Źródło: NASA/ESA/JWST
Źródło:
- Colgate University: Potential Smoking Gun Signature of Supermassive Dark Stars Found in JWST Data
- Ilie, C., Paulin, J., & Freese, K. (2023). Supermassive Dark Star Candidates Seen in JWST Data. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(17)
Opracowanie: Agnieszka Nowak
