Teleskop Jamesa Webba, wystrzelony w kosmos w grudniu 2021 r., sięga dalej w głąb Wszechświata niż jakikolwiek wcześniejszy instrument. Również dlatego, że obserwuje kosmos w świetle podczerwonym, które łatwiej przebija się przez kosmiczne przeszkody i jest emitowane nawet przez chłodniejsze obiekty. W czerwcu naukowcy realizujący projekt JADES ogłosili odkrycie najstarszych znanych dotąd galaktyk, które uformowały się zaledwie 320 mln lat po narodzinach Wszechświata.
Jednak zdaniem innej grupy astronomów trzy spośród odkrytych obiektów mogą być czymś o wiele dziwniejszym. Wstępna wersja ich artykułu, udostępniona przed recenzją i publikacją w specjalistycznym czasopiśmie, sugeruje, że teleskop mógł dostrzec „ciemne gwiazdy”. Te jak dotąd hipotetyczne twory, napędzane ciemną materią, miałyby we wczesnym Wszechświecie przyćmiewać swoim blaskiem całe galaktyki.
Klasyczne gwiazdy to dynamiczne twory, których cykl życia napędzany jest przez dwie siły: grawitację i promieniowanie. Gwiazda rodzi się, gdy wielka chmura gazu i pyłu zaczyna zapadać się pod wpływem siły ciążenia. Protogwiazda staje się coraz masywniejsza i gęstsza, aż jej grawitacja jest na tyle silna, że zaczyna zgniatać znajdujące się w jej sercu atomy wodoru i helu.
Wówczas proste jądra zaczynają łączyć się w procesie fuzji jądrowej, który uwalnia ogromne ilości energii. Morze promieniowania z jądra gwiazdy zaczyna odpychać opadające w jego stronę masy gwiezdnej materii. Dopóki grawitacja i promieniowanie pozostają w równowadze, gwiazda świeci. Kiedy ten wewnętrzny silnik zaczyna szwankować, gwiazda zapada się w sobie i eksploduje (to tzw. supernowa) lub zmienia się w czarną dziurę.
Zgodnie z obecnymi modelami kosmologicznymi ten proces zaczął się, kiedy tylko Wszechświat ostygł po bardzo gorącym Wielkim Wybuchu. Powstała w jego trakcie materia składała się głównie z wodoru i helu. Pierwsze gwiazdy, złożone z tej pierwotnej mieszaniny, żyły szybko i umierały młodo – choć w międzyczasie wytworzyły kolejne pierwiastki.
Są jednak astronomowie, którzy sądzą, że pierwotny Wszechświat mógł być zaludniony dziwnymi kosmicznymi potworami. Wystarczająco dużymi, by pochłonąć niemal cały nasz Układ Słoneczny. I zasilanymi nie przez fuzję jądrową, lecz przez tzw. ciemną materię.
Pomysł budzi spore kontrowersje. „Podsłuchałam jakichś doktorantów, którzy nazywali nas świrami” – mówiła magazynowi „New Scientist” Katherine Freese, astrofizyczka teoretyczna z University of Texas w Austin. To ona w 2007 r. jako pierwsza przedstawiła koncepcję ciemnych gwiazd.
Ciemna materia jest jednym z najbardziej kłopotliwych elementów modeli kosmologicznych. Jej istnienie jest uznawane za fakt przez większość astronomów, bo widzimy efekty jej oddziaływania – jak wpływa na formowanie się galaktyk, obserwujemy wywołane przez nią grawitacyjne efekty. Ale nie mamy pojęcia, czym jest.
Wiemy tylko, że jest jej mnóstwo. Zaledwie 5 proc. Wszechświata to klasyczna materia, z której składają się Ziemia, Słońce, smartfon czy egzemplarz „Tygodnika Powszechnego”. 27 proc. to właśnie ciemna materia, która wydaje się oddziaływać z normalną niemal wyłącznie za pomocą grawitacji. Reszta to jeszcze bardziej zagadkowa ciemna energia.
Pomysłów na to, z czego składa się ciemna materia, jest mnóstwo. W modzie są obecnie m.in. aksjony – hipotetyczne, lekkie cząstki, których istnienie zaproponował jeszcze w latach 70. noblista Frank Wilczek [pisaliśmy o nich w „TP” nr 28/2023 – red.].
Innym czołowym kandydatem są tzw. słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP), niemal tysiąc razy cięższe od protonów, które miałyby oddziaływać na klasyczną materię i siebie nawzajem jedynie poprzez grawitację i tzw. oddziaływanie słabe.
Poszukiwania WIMP-ów nie przyniosły jak dotąd rezultatów, dlatego wielu naukowców postanowiło skupić się na aksjonach. Ale z perspektywy kosmologii WIMP-y mają ciekawą właściwość. Stanowiłyby dla siebie nawzajem zarazem cząstki i antycząstki. Dlatego zetknięcie dwóch z nich doprowadziłoby do gwałtownej anihilacji, której produktem byłaby emisja dużej ilości bardzo energetycznych promieni gamma.
Jedną z nielicznych rzeczy, które wiemy o ciemnej materii (prawie) na pewno, jest to, że porusza się bardzo powoli. 13,8 mld lat temu, tuż po Wielkim Wybuchu, Wszechświat był wypełniony mieszaniną cząstek, które poruszały się chaotycznie, nie tworząc żadnych struktur. Powolna, ciemna materia powinna więc zacząć skupiać się o wiele wcześniej niż rozbiegana materia klasyczna. W ciągu pierwszych 200 mln lat historii Wszechświata ciemne cząstki stworzyłyby ogromne zbiory, określane terminem „halo”. A one swoim oddziaływaniem grawitacyjnym miały zacząć przyciągać klasyczną materię, co mogło spowodować powstanie pierwszych galaktyk.
Freese obliczyła, że jeśli te zgrupowania ciemnej materii zbudowane były z WIMP-ów, to mógł w nich zachodzić proces podobny do tego, który prowadzi do tworzenia gwiazd. A ten proces mógłby doprowadzić do powstania nowego typu obiektu.
Gdyby gęstość ciemnej materii była wystarczająca, anihilacja WIMP-ów mogłaby wyprodukować tyle energii, że normalna materia nigdy nie osiągnęłaby gęstości wystarczającej do rozpoczęcia fuzji atomowej – promieniowanie z anihilujących WIMP-ów po prostu rozdmuchałoby zwykłą materię i nie pozwoliło na jej skupienie. Zamiast tego powstałoby coś o wiele dziwniejszego od gwiazdy. Obiekt, który pozornie by ją przypominał, ale byłby o wiele większy, jaśniejszy – i nietrwały.
Ciemna gwiazda wbrew nazwie byłaby niezwykle jasna. Nawet miliardy razy jaśniejsza i milion razy masywniejsza od Słońca. Gdyby umieścić ją w centrum naszego Układu Słonecznego, jej powierzchnia znajdowałaby się daleko za orbitą Saturna.
Ciemna materia stanowiłaby stosunkowo niewielki odsetek jej masy, może nawet zaledwie 0,1 proc. Resztę stanowiłby wielki, stale rosnący obłok helu i wodoru. Ale to wystarczyłoby, by w jej wnętrzu dochodziło do bilionów bilionów anihilacji na sekundę. W ich skutek powstawałyby fotony, neutrina i pary elektronów i pozytonów. Neutrina, niemal nieoddziałujące ze zwykłą materią, opuściłyby chmurę gazu prawie natychmiast. Pozostałe cząstki zaczęłyby jednak zderzać się z atomami gazów tworzących większą część gwiazdy, przekazując im energię i podgrzewając rodzącą się strukturę.
Ich ciśnienie sprawiłoby, że analogicznie jak w przypadku klasycznych gwiazd, cały obiekt przestałby zapadać się w sobie i uformowałby świecącą kulę. Ale jako że „ciemna gwiazda” byłaby stosunkowo chłodna i nie emitowałaby wysokoenergetycznych fotonów, które powstają w wyniku reakcji fuzyjnych, mogłaby osiągać o wiele większe rozmiary.
„Otrzymujemy coś dziwnego. Ten obiekt ma temperaturę powierzchni bliską temperatury Słońca, ale jest miliard razy jaśniejszy. Może dorównywać jasnością całej galaktyce gwiazd zasilanych przez fuzję” – pisze Freese.
Symulacje kosmologiczne wskazują, że ciemne gwiazdy powinny zacząć powstawać krótko po Wielkim Wybuchu. Co dawałoby szansę na wyjaśnienie ważnej astronomicznej zagadki.
Kiedy przyglądamy się obiektom z odległego Wszechświata, widzimy młode galaktyki, liczące mniej niż miliard lat, w których centrach znajdują się gigantyczne czarne dziury, o masach miliardy razy większych od masy Słońca. Tyle że w zasadzie nie powinno ich tam być. Nie upłynęło wystarczająco dużo czasu, by takie obiekty uformowały się wskutek działania znanych nam mechanizmów.
Ciemne gwiazdy pomogłyby rozwiązać ten problem. Mogłyby być jak ziarna, z których powstawały gigantyczne czarne dziury. Te gwiazdy żyłyby zaledwie miliony lat. Gdy ich anihilacyjny silnik wyczerpałby paliwo, zapadłyby się w sobie. Mniejsze mogły zmienić się w zwykłe gwiazdy – spadająca do centrum materia mogłaby po prostu odpalić proces fuzji jądrowej i znów zabłysnąć. Ale najmasywniejsze ciemne gwiazdy, wielkie jak Układ Słoneczny, mogły błyskawicznie zmienić się w ogromne czarne dziury – protoplastów potworów czyhających dziś w sercach większości galaktyk.
Problemy są dwa. Po pierwsze, nie wiemy, czy ciemna materia składa się z WIMP-ów. Jeśli jej podstawowym składnikiem są aksjony, proponowany przez astrofizyków proces nie mógłby zaistnieć. Po drugie – do tej pory nie zaobserwowano żadnej ciemnej gwiazdy. Przynajmniej tak się wydawało do niedawna.
Można by uznać, że odróżnienie pojedynczej gwiazdy od galaktyki, na którą składają się ich miliardy, jest zadaniem dość trywialnym. Jednak by dostrzec obiekty, które powstały na początku ewolucji Wszechświata, astronomowie muszą przyglądać się najdalszym obiektom w kosmosie – nawet dla najlepszych teleskopów stanowiących zaledwie punkcik.
Co oznacza, że odróżnienie galaktyki od pojedynczego obiektu o porównywalnej jasności jest trudne. Freese jednak wierzy, że jej zespołowi udało się zidentyfikować kilka obiektów, które mają niemal wszystko, co naukowcy spodziewaliby się zobaczyć, gdyby patrzyli nie na galaktykę, tylko na ciemną gwiazdę.
Badacze przejrzeli katalog odnalezionych przez Webba obiektów pochodzących sprzed niemal 14 mld lat. Trzy z nich uznano za mocnych kandydatów na ciemne gwiazdy. Wydają się zaokrąglone jak gwiazda i nie mają otaczającej galaktyki „mgiełki”, a ilość wytwarzanego przez nie światła jest zgodna z przewidywaniami wynikającymi z modeli. Dwa z obiektów mają masy około milion razy większe od Słońca. Trzeci jest o połowę od nich mniejszy.
Badacze nie mogą jeszcze udowodnić, że obiekty te są ciemnymi gwiazdami – mogą jedynie wykazać, że ich charakterystyka wskazuje na to, że istnieje taka możliwość. Zapewniają jednak, że to wyłącznie kwestia dodatkowych obserwacji. „Mamy nadzieję, że uda nam się znaleźć ciemne gwiazdy jeszcze za czasu działania Teleskopu Webba” – mówił w „New Scientist” Cosmin Ilie, astrofizyk z Colgate University, który współprowadził obserwacje.
Aby ostatecznie ustalić, czy mamy do czynienia z ciemną gwiazdą czy małą, starą galaktyką, badacze muszą dokładnie przyjrzeć się światłu emitowanemu przez obiekt. Modele przewidują bowiem, że w świetle ciemnych gwiazd powinny się znaleźć charakterystyczne ślady pozostawione przez hel-2: lekki, ale nietrwały izotop tego pierwiastka.
„Absorpcja helu-2 byłaby »dymiącym pistoletem« ciemnej gwiazdy, bo w galaktykach podobne zjawisko nie występuje. Jeśli jednak odkryjemy obecność pierwiastków innych niż wodór i hel, wtedy wiemy, że taki obiekt ciemną gwiazdą nie jest” – pisze Freese.
Badacze mają nadzieję, że zagadkę uda się rozwiązać już wkrótce. W październiku zespół eksperymentu JADES ma opublikować drugi pakiet danych obserwacyjnych, w tym szczegółową analizę spektralną obiektów. Jeśli te dane nie dadzą odpowiedzi, zagadka może jednak zostać z nami na dłużej. Potwierdzenie natury obiektów wymagałoby wielu miesięcy obserwacji, a biorąc pod uwagę, jak długa jest kolejka astronomów czekających na skorzystanie z Teleskopu Webba, taka okazja prędko się nie pojawi.
Bezpośrednia obserwacja ciemnej gwiazdy byłaby „nieziemsko niesamowita” – mówiła „Scientific American” Pearl Sandick, fizyczka teoretyczna z University of Utah. Nie tylko pozwoliłoby to nam lepiej zrozumieć, jak kształtował się wczesny Wszechświat, ale też byłoby wyjątkową okazją do bezpośredniej obserwacji tego, jak ciemna materia wchodzi w reakcje z materią klasyczną i z samą sobą. „To dostarczyłoby nowych informacji na temat natury ciemnej materii jako cząstki” – podkreśla fizyczka.
Nie wszyscy badacze są jednak przekonani. Wyjątkowe hipotezy wymagają mocnych dowodów. „Większość ludzi woli zachować się konserwatywnie i nie odwoływać się do jakichś dziwnych rzeczy, takich jak ciemne gwiazdy – mówi magazynowi „New Scientist” Bernard Carr, astronom z Queen Mary University w Londynie. – Ale z drugiej strony, nasz kosmos jest pełen nieprawdopodobnych obiektów, od czarnych dziur po magnetary. Otaczają nas dziwy”. ©
Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
Masz konto? Zaloguj się
365 zł 95 zł taniej (od oferty "10/10" na rok)
