Tamsiosios žvaigždės: Ar pagaliau radome keistą, tamsiąją materiją naudojančią, žvaigždę?

Seniai – ir kalbame apie labai ankstyvus laikus, netrukus po Didžiojo sprogimo (DS) – visatoje galėjo būti pilna keistų žvaigždinių monstrų. Tokios didelės, kad jose būtų tilpusi visa Saulės sistema, „tamsiosios žvaigždės“ galėjo maitintis ne branduolių sinteze, kaip įprastos žvaigždės, bet tamsiąja materija: konkrečiai, anihiliuojančiomis šios paslaptingosios medžiagos dalelėmis.

Tokia štai idėja. Bet kai astrofizikos teoretikė iš Texaso universiteto Austine, Katherine Freese pristatė ją konferencijoje 2007 metais, ji nebuvo sutikta itin gerai. „Nugirdau, kaip kai kurie studentai vadino mus keistuoliais,“ prisimena ji.

Kaip bebūtų, tamsiųjų žvaigždžių koncepcija Freese neapleido. Pastaruosius 16 metų ji su kolegomis gilino savo supratimą apie šiuos viliojamai hipotetinius objektus. Tik problema, jų įrodymai visad atrodė nepasiekiami.

Tai yra, atrodė iki šiol, nes Freese su kolegomis pranešė apie potencialų užfiksavimą: nauju teleskopu matomas neįprastas galaktikas. „Gal kai kurie iš šių objektų visai ne galaktikos, bet iš teisų atskiros žvaigždės – tamsiosios žvaigždės,“ sako komandos narė Jillian Paulin, tada dirbusi Colgate universitete Niujorke.

Tarp kitų astronomų dvejonių gaidelės visgi tebeskamba. „Tai itin kontroversiška idėja,“ sako komandai vadovavęs Cosminas Ilie'is', irgi iš Colgate universiteto. Bet jeigu jos egzistuoja, tamsiosios žvaigždės būtų ne tik konkretus tamsiosios materijos įrodymas. Jos taip pat padėtų išlukštenti vieną iš didžiausių kosmologijos problemų – galaktikų evoliuciją formuojančių paslaptingą supermasyvių juodųjų bedugnių (SMJB) prigimtį.

Mūsų visatoje pilna tamsiosios materijos. Negalime jos matyti tiesiogiai, nes su šviesa ji niekaip nesąveikauja, bet žinome kur ji, nes iškreipdama erdvėlaikį, sukelia lęšiavimo efektą ir iškreipia kitų objektų vaizdą, kurį matyti galime. „Yra daugybė gravitacinio tamsiosios materijos poveikio pavyzdžių,“ pažymi Pearl Sandick iš Utah universiteto. „Ji egzistuoja, ir žinome, kur ji yra.

Būtent šie stebėjimai rodo, kad tamsioji materija turėtų sudaryti apie 27 procentus visatos. Maždaug 68 procentus sudaro lygiai taip pat nepaaiškinama tamsioji energija, verčianti visatą plėstis, ir vos 5 procentus sudaro mums įprasta materija, iš kurios sudarytos kėdės, stalai ir žmonės

Tamsiosios materijos kandidatai

Nežinome tiksliai, kas yra toji tamsioji materija, nors idėjų yra. XX amžiaus gale pristatyta silpnai sąveikaujančių masyvių dalelių (WIMP) kandidatūra. Iki 1000 kartų už protonus masyvesni WIMPai su įprasta medžiaga irgi nesąveikautų. Bet jie veiktų vienas kitą – ir poveikio maža nepasirodytų. Susidūrusios tarpusavyje, tokios dalelės anihiliuotų į gama spindulių blyksnį.

Taip pat galime daryti išvadas, kaip tamsioji materija elgėsi ankstyvojoje visatoje. Po Didžiojo sprogimo, prieš ~13,8 mlrd. metų, visata buvo palaida dalelių bala, be jokių sudėtingų struktūrų. Tamsioji materija juda lėčiau, nei įprasta materija, tad, veikiama gravitacijos, lengviau sulipo. Per pirmus 200 milijonų kosmoso istorijos metų susiformavo gigantiškos tamsiosios materijos konglomeracijos, mini halai, kurie paskui įtraukė ir įprastą materiją, formavusią žvaigždes ir galaktikas.

Freese sumojo, kad jeigu šie mini halai buvo pilni WIMPų, galėjo kilti įdomus procesas, panašus į normalios žvaigždės formavimąsi. „Suvokėme, kad šį procesą astronomų bendruomenė pražiopsojo,“ sako ji. Tai buvo visiškai naujo tipo žvaigždė.

Žvaigždės formuojasi iš tankėjančio dujų ir dulkių debesies. Gravitacija vis stipriau spaudžia vandenilio ir helio atomus, kol galiausiai prasideda termobranduolinė sintezė ir susidaro žvaigždės branduolys. Žvaigždėse į branduolio centrą nukreipta gracitacijos jėga tiksliai atsveria šios sintezės sukeliamą plėtimąsi.

Bet jeigu kai kuriuose haluose tamsiosios materijos tankis buvo pakankamas, anihiliuojančių WIMPų energijos pakaktų sukurti išorėn nukreiptą jėgą, kuri neleistų įprastinei medžiagai pasiekti kritinio tankio. Branduolinė sintezė taip ir neprasidėtų – susidarytų kita klasė objektų, kurie stabilizuotųsi būdami daug didesni, tokio diametro, kaip Saturno orbita ir milijoną kartų masyvesni už Saulę. „Šis karščio šaltinis neleistų dujų debesiui labiau susitraukti,“ sako Freese. „Galios jie semtųsi iš tamsiosios materijos.“

Tokiose žvaigždėse tamsiosios materijos dalis būtų menka, vos 0,1％. Bet tiek užtektų, kad kas sekundę vyktų trilijonų trilijonai anihiliacijų, dėl ko tokios žvaigždės švytėtų skaisčiai baltai ar žydrai. Šia prasme, pavadinimas „tamsioji žvaigždė“ nėra tinkamas. Ekstremaliausiais atvejais, tamsiosios žvaigždės galėtų išaugti išties milžiniškos ir ankstyvojoje visatoje nustelbti netgi ištisas galaktikas. „Jos gali būti milijardą kartų ryškesnės už Saulę,“ sako Freese.

Freese publikavo seriją straipsnių apie tamsiąsias žvaigždes, kurioje pirmasis, parašytas drauge su kolegomis Douglasu Spolyaru ir Paolo Gondolo, pasirodė 2008 m. Danas Hooperis iš Čikagos universiteto prisimena, kad tuomet vyko „intensyvūs debatai“. „Lankydavausi lekcijose ir girdėjau, kaip žmonės šaukia vienas ant kito,“ sako jis. „Nežinojau, kas teisus, o kas klysta.“

Ši idėja sulaukia ir paramos. „Manau, idėja labai šauni ir tikrai įmanoma,“ sako Sandick. Ir tai toli gražu ne vienintelė pasiūlyta egzotiška žvaigždė (žr. „Keisčiausios žvaigždės“).

Kad šios teorinės žvaigždės egzistuoja, viliamasi ne šiaip sau. Tamsiosios žvaigždės būtų ne tik visiškai nauja žvaigždžių rūšis, jos galėtų padėti įminti didelę kosmologinę paslaptį: SMJB kilmę. Tai galaktikų centre tūnančios didžiulės juodosios bedugnės, iš kurių negali pasprukti net šviesa.

Supermasyvios juodosios bedugnės mįslė

Žvelgdami toli, į ankstyvą visatą, matome ten jaunesnes, nei milijardo metų galaktikas, kurių centruose esančios SMJB milijardą kartų masyvesnės už Saulę. Kaip šios juodosios bedugnės spėjo taip greitai užaugti – mįslė. „Tokių masyvių JB atsiradimas tokioje ankstyvoje visatoje yra didelė problema,“ sako Muhammad Latif iš JAE universiteto. Jos galėjo susidaryti iš susiliejančių mažesnių juodųjų bedugnių, bet nepanašu, kad tai galėtų įvykti taip greitai.

Atsakymas galėtų būti tamsiosios žvaigždės, pasitarnavusios kaip SMJB sėklos. Jos būtų gyvenusios greitai ir mirusios jaunos, vos per kelis milijonus metų. Mažesnės tamsiosios žvaigždės, gal 100 kartų masyvesnės už Saulę ar panašiai, pasibaigus WIMPų anihiliacijai, galėjo atgimti normaliomis žvaigždėmis. „Pasibaigus tamsiosios materijos kurui, galėjo prasidėti termobranduolinė sintezė,“ dėsto Freese.

Bet visos tamsiosios žvaigždės, visiškai pasibaigus kurui, kolapsuotų į juodąsias bedugnes. Supermasyvios tamsiosios žvaigždės kolapsuotų į tokias pat masyvias JB, iki milijono Saulės masių. „Taip išsprendžiame aiškią didelių juodųjų bedugnių problemą,“ pažymi Freese. „Pradėjus nuo mūsų tamsiosios žvaigždės, susidaro milijono Saulės masių sėklos, kurios gali susilieti į milijardų Saulės masių juodąsias bedugnes.“

Tačiau 2010 metais tamsiosioms žvaigždėms kilo netikėta problema. Atsirado kitų tamsiosios materijos kandidatų ir WIMPų pozicija susvyravo. Nesant WIMP įrodymų, fizikų akys nukrypo link lengvesnių teorinių dalelių, aksionų. O aksionai būtų per lengvi, kad sukurtų pakankamai energijos suformuoti tamsiąsias žvaigždes. Kitiems mokslininkams, pavyzdžiui, Bernardui Carrui iš Queen Mary universiteto Londone, labiau patinka idėja, kad tamsioji materija sudaryta visai ne iš kokių nors paslaptingų dalelių, bet iš visatos pradžioje susidariusių pirminių juodųjų bedugnių.

Tačiau Freese tamsiųjų žvaigždžių idėjos laikėsi ir dabar reikalai atrodo gerai. 2022 metais ji su kolegomis suskaičiavo, kad tamsiąsias žvaigždes galėtų suformuoti ir kitas kandidatas į tamsiąją materiją. „Tai nebūtinai turi būti WIMPai,“ sako ji. Yra alternatyva, kur tamsioji materija vis dar dalelė, bet stipriau reaguojanti tarpusavyje. Šiuo metu populiari tokia reaguojančios su savimi tamsiosios materijos koncepcija, sako Freese.

Ir tada, anksčiau šiais metais, akyliausia kosminė akis kai ką įžvelgė.

Tamsiosios žvaigždės užuominos

2021 metų gruodį paleistas James Webb Space Telescope (JWST) savo dideliu, auksu dengtu veidrodžiu geba pažvelgti toli visatos praeitin infraraudonųjų spindulių ruože. Jis jau regėjo galaktikas, susidariusias, kai visatai tebuvo keli šimtai milijonų metų, anksčiau, nei bet kuri kita galaktika, užfiksuota bet kuriuo kitu teleskopu. Šie rezultatai ankstyvojoje visatoje rodo buvus daugiau šviesių objektų nei tikėtasi. „Jokios abejonės, JWST rezultatai rodo vykstant kažką keisto,“ sako Carras. Nemanyta, kad iki tokio dydžio galaktikos gali išaugti greičiau, nei per maždaug milijardą metų nuo didžiojo sprogimo, bet JWST aptikta daugybė galaktikų, susiformavusių daug anksčiau.

Birželį JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) astronomai paskelbė apie dar kelias tokias ankstyviausias galaktikas, jauniausia iš kurių susidarė, kai nuo DS buvo praėję vos 320 milijonų metų. Tačiau Freese su kolegomis nerecenzuotų straipsnių serveryje publikuoja studiją, kur spėjama, kad tai gali būti visai ne galaktikos. Jie mano, kad JWST nuotraukose raudonas dėmeles primenantys objektai yra individualios tamsiosios žvaigždės.

Tai jie grindžia tuo, kad visi trys objektai atrodo apskriti, kaip žvaigždės, be galaktikoms būdingų atsikišimų. Ir šie objektai atitinka tamsiosios žvaigždės modelį, spinduliuoja tiek šviesos, kiek ir buvo tikimasi. Du kandidatai yra milijono Saulės masių, o vienas per pusę mažesnės.

Vis dar įmanoma, kad tai pasirodys esančios labai mažos galaktikos, kaip atskiri taškai atrodantys dėl nepakankamos raiškos. „Mes vis dar linkę prie paprastesnio sprendimo,“ sako JADES komandos narė Sandro Tacchella iš Cambridge'o universiteto. „Šiuo metu nėra aiškių tamsiosios žvaigždės modelio požymių.“ Irgi JADES komandai priklausanti Marcia Rieke iš Arizonos universiteto, irgi panašiai atsargi, pabrėždama, kad du iš trijų kandidatų atrodo turintys pratisus ruožus, būdingus mažoms galaktikoms, o trečiasis gali tiesiog būti kompaktiška galaktika. „Norint teigti kažką esant tamsiąja žvaigžde, iš tiesų reikia tvirtų įrodymų,“ sako ji.

Ir yra galimybė, kad juos gausime. JADES surinks antrą pusę savo duomenų, kuriuose bus detalus šių objektų spektras, tai yra, šviesos matavimai įvairiuose dažnio ruožuose. Turėtų pavykti užfiksuoti jonizuotos helio formos, helio-II, signatūras. Jei paslaptingieji objektai yra tamsiosios žvaigždės, astronomai tikisi pamatyti, kad helis-II sugeria konkretaus bangos ilgio šviesą. O jeigu tai galaktikos, helis-II tokio dažnio šviesą turėtų spinduliuoti. „Užtikrinta tamsiosios žvaigždės signatūra yra ši helio-II savybė,“ sako Paulin.

Tamsiųjų žvaigždžių kandidatų gali būti ir daugiau. Ilie'is sako rašantis naują straipsnį apie naujus JWST stebėjimus. „Kandidatų netrūksta,“ sako jis. Šiuo metu tik JWST yra pakankamai galingas rasti tamsiąsias žvaigždes, nors 2027 metais planuojamam iškelti NASA Roman Space teleskopui ši užduotis irgi bus įveikiama.

Daugumai astronomų tamsiųjų žvaigždžių idėja vis dar sprangi. „Dauguma žmonių linkę būti konservatyvūs ir apsieiti be tokių keistenybių, kaip tamsiosios žvaigždės,“ pastebi Carras. Bet vėlgi, kosmose pilna neįtikėtinų objektų, nuo juodųjų bedugnių iki magnetarų. „Mus supa keistenybės,“ sako Carras. Kodėl dar ir ne tamsiosios žvaigždės?