Ciemne karły mogą pomóc rozwiązać tajemnicę ciemnej materii

Teoretyczne obiekty gwiezdne, znane jako ciemne karły (dark dwarfs) mogą ukrywać się w centrum Drogi Mlecznej i zawierać w sobie sekret natury jednej z największych tajemnic Wszechświata – ciemnej materii.

.W nowym badaniu, astronomowie z Durham University i University of Hawai’i at Manoa, opisali niezwykłe pozostałości po gwiazdach, które zostały nazwane jako ciemne karły oraz zaproponowali sposoby zweryfikowania ich istnienie za pomocą obecnych narzędzi obserwacyjnych, takich jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

Badacze nazwali te obiekty, ciemnymi karłami, nie dlatego, że są one czarnymi ciałami niebieskimi, ale ze względu na ich szczególny związek z ciemną materią – jedną z najważniejszych tajemnic astronomii.

„Uważamy, że 25 proc. Wszechświata składa się z materii, która nie emituje światła, przez co jest niewidoczna dla naszych oczu i teleskopów. Wykrywamy ją jedynie poprzez efekty grawitacyjne. Dlatego nazywamy ją ciemną materią” – wyjaśnia Jeremy Sakstein z University of Hawai’i at Manoa.

O ciemnej materii, astronomowie wiedzą jedynie, że istnieje i jak zachowuje, ale nie wiedzą, czym tak naprawdę jest. W ciągu ostatnich 50 lat zaproponowano kilka hipotez, ale żadna z nich nie zebrała jeszcze wystarczających dowodów eksperymentalnych, aby mogła zostać potwierdzona. Nowe badanie może pomóc odkryć jej właściwości.

Wśród najbardziej znanych kandydatów na ciemną materię, jak wskazują naukowcy, są słabo oddziałujące masywne cząstki (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP) – bardzo masywne cząstki, które niezwykle słabo oddziałują ze zwykłą materią – przechodzą przez rzeczy niezauważone, nie emitują światła i nie reagują na siły elektromagnetyczne (więc nie odbijają światła i pozostają niewidoczne) i ujawniają się tylko poprzez swoje efekty grawitacyjne. Ten rodzaj ciemnej materii byłby niezbędny, aby powstały ciała takie jak ciemne karły.

„Ciemna materia oddziałuje grawitacyjnie, więc może być przechwytywana przez gwiazdy i gromadzić się w ich wnętrzu. Jeśli tak się dzieje, może również oddziaływać ze sobą i anihilować, uwalniając energię, która ogrzewa gwiazdę” – mówi Jeremy Sakstein.

Zwykłe gwiazdy, takie jak Słońce, świecą, ponieważ w ich jądrach zachodzą procesy fuzji jądrowej, generujące duże ilości ciepła i energii. Proces ten zachodzi, gdy masa gwiazdy jest na tyle duża, że siły grawitacyjne ściskają materię w kierunku centrum z taką intensywnością, że wywołują reakcje między jądrami atomowymi. Proces ten uwalnia ogromną ilość energii, którą można zaobserwować jako światło. Ciemne karły również emitują światło, ale nie z powodu fuzji jądrowej.

„Ciemne karły to obiekty o bardzo niskiej masie, około 8 proc. masy Słońca. Tak niska masa nie jest wystarczająca do wywołania reakcji termojądrowych” – zaznacza Jeremy Sakstein.

Obiekty, które mają niewystarczającą masę do wywołania reakcji termojądrowych, są powszechne we Wszechświecie, zwykle emitują tylko słabe światło (ze względu na energię wytwarzaną przez ich stosunkowo niewielki ściśnięcie grawitacyjne) i są znane naukowcom jako brązowe karły. Jeśli obiekty tego typu, jak wskazują astronomowie, znajdą się w regionach, w których ciemna materia jest szczególnie obfita – takich jak centrum naszej galaktyki – mogą przekształcić się w coś innego.

„Obiekty te mogą gromadzić ciemną materię, która teoretycznie może sprawić, że staną się ciemnymi karłami. Im więcej ciemnej materii, tym więcej mogą jej przechwycić. A im więcej ciemnej materii wewnątrz gwiazdy, tym więcej energii zostanie wyprodukowane w wyniku jej anihilacji” – wyjaśnia Jeremy Sakstein.

„Wszystko to zależy jednak od konkretnego rodzaju ciemnej materii. Aby ciemne karły mogły istnieć, ciemna materia musiałaby składać się z WIMP-ów, czyli wszelkich ciężkich cząstek, które oddziaływałyby ze sobą tak silnie, że wytwarzałyby widzialną materię” – dodaje.

Inni proponowani kandydaci do wyjaśnienia ciemnej materii – jak aksjony lub neutrina – są zbyt lekkie, aby wywołać podobny efekt w tych obiektach. Jedynie masywne cząstki, zdolne do wzajemnego oddziaływania i anihilacji w widzialną energię, mogłyby zasilić ciemnego karła.

Naukowcy zaproponowali konkretny sposób identyfikacji ciemnych karłów, aby potwierdzić ich hipotetyczne istnienie, wskazali na charakterystyczny marker – lit-7.

„Lit-7 spala się bardzo łatwo i jest szybko zużywany w zwykłych gwiazdach. Jeśli więc udałoby się znaleźć obiekt, który wyglądałby jak ciemny karzeł, można by szukać obecności tego pierwiastka, ponieważ nie byłoby go tam, gdyby był to brązowy karzeł lub podobny obiekt” – podkreśla Jeremy Sakstein.

.Narzędzia takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba mogą już być w stanie wykrywać zimne obiekty niebieskie, takie jak ciemne karły. Ale jak wskazują astronomowie wskazują również na inna możliwość, jaką jest przyjrzenie się całej populacji obiektów i statystyczne sprawdzenie, czy jest ona lepiej opisana przez występowanie subpopulacji ciemnych karłów. Jeśli udałoby się zidentyfikować choć jednego ciemnego karła, to była byłaby to wskazówka na poparcie hipotezy, że ciemna materia składa się z WIMP-ów.

Oprac. EG