Wszystko zaczęło się od obserwacji czterech niezwykłych obiektów, które istniały zaledwie 300 mln lat po Wielkim Wybuchu. To okres, gdy Wszechświat miał zaledwie ok. 2 proc. swojego obecnego wieku. Co ciekawe, standardowe modele kosmologiczne nie przewidują powstania tak masywnych struktur w tak wczesnym etapie ewolucji kosmosu.
Czytaj też: Gigantyczna bańka wokół gwiazdy. Największa taka struktura w naszej galaktyce
Badanie opublikowane przez zespół pod kierownictwem Cosmina Ilie z Colgate University i Katherine Freese z Uniwersytetu Teksańskiego sugeruje, że możemy mieć do czynienia z supermasywnymi ciemnymi gwiazdami. Te hipotetyczne obiekty różnią się od wszystkiego, co znamy z naszego kosmicznego otoczenia. Są to gigantyczne obłoki wodoru i helu osiągające rozmiary do 10 j.a., co przekłada się na około 1,5 mld km. Ich masa może być nawet 10 milionów razy większa od masy Słońca, a jasność przewyższać naszą gwiazdę dziesięć miliardów razy.
Kluczowa różnica między tymi obiektami a zwykłymi gwiazdami tkwi w źródle energii. Podczas gdy konwencjonalne gwiazdy korzystają z fuzji jądrowej, ciemne gwiazdy miałyby czerpać moc z anihilacji cząstek ciemnej materii. Gdy hipotetyczne cząstki zwane WIMP zderzają się ze sobą, uwalniają ogromne ilości ciepła, które utrzymują gwiazdę w stabilności grawitacyjnej.
Ciemne gwiazdy w końcu się ujawnią?
Kolejnym charakterystycznym aspektem jest temperatura tych obiektów. Pomimo swojej ogromnej jasności, ciemne gwiazdy są stosunkowo chłodne – ich temperatura powierzchni wynosi ok. 10 000 K, podczas gdy Słońce ma temperaturę około 6000 K. Paradoksalnie, to właśnie ich gigantyczne rozmiary czynią je tak jasnymi pomimo niższej temperatury.
Czytaj też: Spokojne Słońce. Planety mogą tłumić aktywność naszej gwiazdy
Sam pomysł ciemnych gwiazd nie jest nowy. Teoria została po raz pierwszy opracowana już w 2008 r. przez Katherine Freese, Douga Spolyara i Paolo Gondolo. Przez lata pozostawała jednak czysto teoretyczną koncepcją, czekającą na potwierdzenie obserwacyjne. Warunki do formowania się takich obiektów były idealne w pierwszych setkach milionów lat po Wielkim Wybuchu, gdy w centrach halo ciemnej materii gęstość tej tajemniczej substancji była największa.
Obecne badania skupiły się na czterech konkretnych obiektach: JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-z13-0 i JADES-GS-z11-0. Liczby w ich nazwach odnoszą się do przesunięcia ku czerwieni – parametru określającego odległość i wiek obiektu. Im wyższa wartość, tym dalej i wcześniej w historii wszechświata znajduje się dany obiekt.
Co intrygujące, pomimo swoich kolosalnych rozmiarów, wszystkie te obiekty w obserwacjach JWST wyglądają jak źródła punktowe. To paradoks, który jednak znajduje logiczne wytłumaczenie – nawet obiekt o rozmiarach 10 j.a., znajdujący się w tak ogromnej odległości, ma rozmiar kątowy znacznie poniżej rozdzielczości jakiegokolwiek istniejącego teleskopu.
Najlepiej dopasowanym kandydatem okazał się JADES-GS-z12-0, który według analiz może być supermasywną ciemną gwiazdą o masie około 500 000 mas Słońca. Prawdziwy przełom w badaniach nastąpił jednak podczas analizy spektroskopowej. Ciemne gwiazdy powinny wykazywać charakterystyczną cechę absorpcyjną przy 1640 angstremach, spowodowaną przez duże ilości pojedynczo zjonizowanego helu w ich atmosferach. To swego rodzaju kosmiczny odcisk palca, który odróżnia je od galaktyk wykazujących linie emisyjne w tym samym zakresie.
Jeden z analizowanych obiektów, JADES-GS-z14-0, rzeczywiście wykazuje oznaki tej cechy. Chociaż stosunek sygnału do szumu jest stosunkowo niski, może to być pierwszy spektroskopowy dowód na istnienie ciemnej gwiazdy. Sytuację komplikują jednak obserwacje z teleskopu ALMA, które ujawniły obecność tlenu w tym samym obiekcie. Jeśli obie cechy spektralne zostaną potwierdzone, może to oznaczać, że mamy do czynienia z ciemną gwiazdą osadzoną w środowisku bogatym w metale, być może w wyniku fuzji z innymi obiektami lub współnego formowania się gwiazd.
Gdyby istnienie supermasywnych ciemnych gwiazd zostało potwierdzone, mogłoby to rozwiązać kilka fundamentalnych zagadek współczesnej astronomii. Po pierwsze, wyjaśniłoby pochodzenie niezwykle jasnych, kompaktowych galaktyk obserwowanych przez JWST we wczesnym wszechświecie. Obiekty, które dotąd wydawały się być galaktykami, mogłyby w rzeczywistości okazać się pojedynczymi, gigantycznymi gwiazdami.
Po drugie, ciemne gwiazdy mogłyby stanowić zalążki supermasywnych czarnych dziur, które napędzają najbardziej odległe kwazary. Gdy ciemna materia w gwieździe ulegnie wyczerpaniu, obiekt zapada się, tworząc czarną dziurę o masie milionów mas Słońca – znacznie większą niż mogłyby utworzyć konwencjonalne gwiazdy pierwszej generacji.
Dalsze badania obejmują szczegółową spektroskopię z instrumentem NIRSpec oraz wykorzystanie zaawansowanych metod statystycznych do analizy parametrów ciemnej materii. Zespół planuje również uwzględnienie efektów mgławicowych, które mogą wpływać na obserwowane widma. Jeśli choćby jeden z kandydatów zostanie potwierdzony jako ciemna gwiazda, rozpocznie się nowy rozdział w astronomii – badanie gwiazd zasilanych ciemną materią.
Każde potwierdzenie istnienia ciemnych gwiazd byłoby nie tylko rewolucją w naszym rozumieniu wczesnego Wszechświata, ale także unikalną okazją do poznania natury ciemnej materii. Ta tajemnicza substancja stanowi ok. 25 proc. całego Wszechświata, a jej natura wciąż pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej fizyki. Choć wyniki są obiecujące, potrzebujemy jeszcze wielu badań, by z całą pewnością stwierdzić, że naprawdę odkryliśmy ten egzotyczny typ gwiazd.