Wielkie i jasne jak miliony Słońc. Ciemne gwiazdy zjadają same siebie

Zastanawialiście się pewnie, w jaki sposób astronomowie, są w stanie stwierdzić, że te zwykle pomarańczowo-czerwone plamki na głębokich obrazach nieba to galaktyki. Cóż, w tym celu konieczne są obserwacje spektroskopowe takiego obiektu. Obiekty typu galaktycznego cechuje specjalny kształt widma i stąd odpowiednie wnioski, a z pomiaru przesunięcia tego widma ku czerwieni można wywnioskować odległość. Do takich obserwacji szczególnie dobrze nadaje się teleskop kosmiczny Webb.

O tym, że nie są to normalne gwiazdy świadczy też fakt, że takie obiekty świeciłyby znacznie słabiej i gdyby faktycznie powstały kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu ich obserwacja byłaby bardzo trudna, a wręcz niemożliwa, chyba że pomogłoby tu soczewkowanie grawitacyjne.

Obserwacje tak zwanego odcięcia Lymana (ang: Lyman break) w widmie wczesnych galaktyk, które umożliwia ocenę ich odległości.

Problem z bardzo odległymi galaktykami

Dzięki obserwacjom Webba astronomowie odkryli bardzo odległe i jednocześnie bardzo młode galaktyki we wczesnym wszechświecie. Ta ich młodość wcale nie jest powodem wyłącznie do satysfakcji, bo rodzi problem - jak zdołały się one uformować w tak krótkim czasie, a nawet osiągnąć późny etap ewolucji.

Pojawiła się teoria, że być może nasz Wszechświat jest dużo starszy, nawet dwa razy starszy, a my nie obserwujemy młodych i bardzo odległych galaktyk, a takie już zaawansowane wiekowo, tylko że daleko od nas. Gdyby to była prawda, cała nasza astronomiczna wiedza musiałaby zostać na nowo sformułowana, dlatego na razie lepiej szukać wyjaśnień, które lepiej pasują do obserwacji, a nie naruszają istniejącego porządku rzeczy. Poza tym trzeba wyjaśnić też inna zagwozdkę, dlaczego wiele z potencjalnych kandydatek na galaktyki we wczesnym Wszechświecie w obserwacjach Webba można też opisać jako źródła punktowe.

A jeśli to nie są galaktyki. A przynajmniej nie były nimi w momencie obserwacji

Może jednak te odległe obiekty, które uważamy za galaktyki wcale nimi nie są. A są gwiazdami, tylko gwiazdami specyficznymi, Ciemnymi Gwiazdami, które do świecenia nie wykorzystują reakcji jądrowych, ale reakcje anihilacji, w których udział bierze ciemna materia (przy założeniu, że ma ona taką cechę, że każda jej cząstka jest jednocześnie swoją antycząstką). To ciekawa idea, która za jednym zamachem wyjaśnia problem jasnych obiektów we wczesnym wszechświecie, a zarazem porusza kwestię natury ciemnej materii i co z nią się działo u zarania Wszechświata, a nawet temat zagadnienie powstawania supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.

Tak wyglądają obiekty, które moga być galaktykami we wczesnym Wszechświecie, ale też ciemnymi gwiazdami, które wbrew nazwie świecą bardzo jasno.

Taką teorię wysunęła trójka astronomów (Cosmin Ilie, Jillian Paulin i Katherine Freese) analizując dane z projektu JADES, który ma na celu dokumentowanie wyglądu Wszechświata w jego początkach. Trzy z obiektów o wysokim przesunięciu ku czerwieni, które wcześniej zaklasyfikowano jako jedne z najdalszych obserwowanych galaktyk - JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 oraz JADES-GS-z11-0 - uznano za dobrych kandydatów na Ciemne Gwiazdy, które istniały już od 320 do 400 milionów lat po powstaniu Wszechświata. 

Liczbe obiekty na zdjęciach głębokiego kosmosu nie muszą być więc młodymi i stosunkowo niewielkimi galaktykami, w których znajdują się miliony gwiazd. Mogą to być obiekty, które mają podobną jasność, ale charakter jednego dużego skupiska masy, co pasuje do danych obserwacyjnych.

Jak świeci Ciemna Gwiazda, jak to możliwe, że widać ją z tak daleka?

Ciemna Gwiazda to obiekt, który powstał w czasach, gdy kosmos był wypełniony dość równomiernie zarówno zwykła materią, która dziś tworzy gwiazdy, jak i ciemną materią. Gdy zaczynały powstawać pierwsze protogalaktyki, kolapsujący w ich centrach gaz składający się z wodoru i helu, który potem mógł rozdzielać się na pojedyncze gwiazdy, wytwarzał tak dużą grawitację, że powstający obiekt wchłaniał także obecne w centrach protogalaktyk skupiska ciemnej materii.  

W trakcie kontrakcji ciemna materia zaczynała ze sobą oddziaływać i anihilować, co generowało energię i promieniowanie, które uniemożliwiało dalszy kolaps materii, porowadzący zwykle do powstania gwiazd, gdy gęstość w zapadającym się obłoku materii lub jego fragmentach osiągnie poziom odpowiedni do rozpoczęcia i podtrzymania reakcji fuzji jądrowej. 

W Ciemnej gwieździe procesy anihilacji ciemnej materii zachodzą w całej jej objętości, a nie w centrum jak ma to miejsce w przypadku reakcji jądrowych w zwykłych gwiazdach.

Zamiast powstania gwiazdy, dostawaliśmy rozdęty obiekt (o średnicy 10 i więcej jednostek astronomicznych), który w jeszcze większym tempie nabierał masy sciągając jeszcze więcej skupisk ciemnej materii i zwykłej materii, która jednak nie ulegała spalaniu jak w zwykłych gwiazdach. W ten sposób mogły powstać obiekty o masach przekraczających milion mas Słońca, a jednocześnie tak jasne jak ich miliardy, dzięki promieniowaniu, które powstawało w procesie anihilacji ciemnej materii. 

Pole obserwacji projektu JADES, który wykorzystuje teleskop Webb. Prawie każda plamka na zdjeciu to galaktyka. Tak przynajmniej sądzono dotychczas.

Dzięki tak dużej jasności Ciemnych gwiazd możemy je dziś dostrzec za pomoca teleskopu Webb. O ile jednak nie są to zwykłe galaktyki, składające się z milionów gwiazd tak zwanej trzeciej populacji (powstawały one 100 do 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu), czyli tych pierwszych, o masach średnio 100 mas Słońca, złożonych wyłącznie z wodoru i helu, bo nie było jeszcze cięższych pierwiastków wytworzonych w wybuchach supernowych. Na razie obie opcje są brane pod uwagę przez astronomów.

Ciemne gwiazdy jako zalążki supermasywnych czarnych dziur

Ciemne gwiazdy mogą być także wyjaśnieniem sposobu powstawania supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Taka Ciemna Gwiazda choć zawiera ciemna materię, to jest jej stosunkowo niewiele. Tylko 0,1% całej masy, a resztę stanowi normalny gaz złożony z wodoru i helu.

Gdy w takiej Ciemnej Gwieździe cała ciemna materia ulegnie anihilacji, ogromna masa pozostałej materii zapadnie się do bardzo masywnej czarnej dziury. Ta moze dodatkowo wyczyścić swoje okolice z pozostałej materii i stać się centrum młodej galaktyki.

Źródło: PNAS, ScienceDaily, inf. własna, foto wejściowe przedstawia świecące żarówki