Astronomowie są coraz bardziej przekonani, że wczesny Wszechświat mógł być zamieszkany przez rodzaj gwiazd niepodobny do niczego, co widzimy dzisiaj: ciemne gwiazdy – masywne ciała niebieskie zasilane nie syntezą jądrową, ale anihilacją ciemnej materii. Niedawne obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) dostarczają intrygujących, choć jeszcze nie rozstrzygających dowodów na istnienie tych teoretycznych struktur, które mogą potencjalnie rozwiązać kilka długotrwałych tajemnic kosmologicznych.
Powstanie gwiazd z ciemnej materii
Zwykłe gwiazdy zapalają się, gdy grawitacja ściska gaz, aż w jądrze nastąpi fuzja jądrowa. Ciemne gwiazdy mogły jednak powstać w gęstych warunkach wczesnego Wszechświata, gdzie ciemna materia była bardziej skoncentrowana. Jeśli wewnątrz zapadającego się obłoku zgromadzi się wystarczająca ilość ciemnej materii, cząstki zderzą się i anihilują, uwalniając energię, która zapobiegnie dalszemu zapadnięciu się i zasili gwiazdę.
Proces ten nie jest tylko hipotetyczny; Naukowcy pod kierunkiem Katherine Fries z Uniwersytetu Teksasu w Austin modelowali cykl życia tych gwiazd, w tym ich ostateczny los. W przeciwieństwie do zwykłych gwiazd, które po wyczerpaniu się reakcji jądrowych spalają paliwo i zapadają się w czarne dziury, ciemne gwiazdy mogą teoretycznie przetrwać w nieskończoność, dopóki ciemna materia będzie się gromadzić i anihilować.
Problem supermasywnych czarnych dziur
Istnienie ciemnych gwiazd pomogłoby wyjaśnić obecność supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Te masywne obiekty powstały zbyt szybko po Wielkim Wybuchu, aby uformować się wyłącznie w wyniku zapadnięcia się mniejszych gwiazd. Ciemne gwiazdy mogą jednak urosnąć do ogromnych rozmiarów – od 1000 do 10 milionów mas Słońca – zanim zapadną się w supermasywne czarne dziury obserwowane przez astronomów.
Jak wyjaśnia Fries: „Jeśli zaczniesz od większych zarodków, to naprawdę robi różnicę”. Bez tak masywnych prekursorów szybkie powstawanie tych czarnych dziur pozostaje tajemnicą.
Obserwacje JWST i nieoczekiwane obiekty
JWST odkrył także dwa niezwykłe typy odległych obiektów: „małe czerwone kropki” i „niebieskie potwory”. Podobnie jak supermasywne czarne dziury, ich istnienie w tak wczesnych czasach kosmicznych jest trudne do wyjaśnienia za pomocą konwencjonalnych mechanizmów powstawania. Zespół Friesa sugeruje, że w rzeczywistości są to pojedyncze, niezwykle masywne ciemne gwiazdy.
Należy zauważyć, że ciemne gwiazdy pozostawiają niepowtarzalny ślad w swoim spektrum światła – określoną długość fali pochłoniętą w wyniku energii uwalnianej podczas anihilacji ciemnej materii. Wstępne obserwacje JWST wykazały ślady tej sygnatury w kilku odległych obiektach, ale dowody są obecnie niejednoznaczne.
Kolejne kroki
Obecnie dowody na istnienie ciemnych gwiazd są pośrednie. Chociaż obserwacje z JWST są zachęcające, potrzebne są dalsze dane o wysokiej rozdzielczości, aby potwierdzić ich istnienie. Jeśli zostaną potwierdzone, struktury te nie tylko rozwiążą kosmologiczne tajemnice, ale także otworzą nowe okno na naturę ciemnej materii.
W szczególności masa, przy której ciemne gwiazdy zapadają się w czarne dziury, będzie zależała od właściwości cząstek ciemnej materii, które napędzają ich anihilację. Umożliwi to naukowcom zmierzenie lub ograniczenie masy ciemnej materii, będącej jednym z najważniejszych nierozwiązanych problemów fizyki.
Jak mówi Dan Hooper z Uniwersytetu Wisconsin-Madison: „To nie jest jakiś dymiący pistolet, ostateczny dowód, ale to naprawdę solidna rzecz, której szukają”. Poszukiwania ciemnych gwiazd są rzadkie, ale ich odkrycie byłoby niezwykłe.
