Astrofizikçilerden oluşan bir ekip, James Webb Uzay Teleskobu’nu kullanarak üç potansiyel “karanlık yıldız” keşfetti. Karanlık madde parçacıklarından güç aldığı düşünülen bu teorik bedenler, güneşimizden çok daha büyük ve parlak. Doğrulanırlarsa, fizikteki en önemli çözülmemiş sorunlardan biri olan karanlık madde anlayışımızı önemli ölçüde aydınlatabilirler. Dahası, onların varlığı, mevcut standart kozmoloji modeli ile evrenin erken dönemlerinde büyük galaksilerin gözlemlenmesi arasındaki tutarsızlığı uzlaştırabilir.
Karanlık madde ile güçlendirilmiş yıldızların hala kanıtlanması gerekiyor, ancak evrenin en büyük gizemlerinden birinin doğası hakkında ipuçları verebilir.
Füzyon, atomların bir araya gelmesi ve enerji salması sayesinde yıldızlar uzayın karanlığından ışıl ışıl parlıyor. Peki ya bir yıldıza güç vermenin başka bir yolu varsa?
Üç astrofizikçiden oluşan bir ekip – Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Katherine Freese, Colgate Üniversitesi’nden Cosmin Ilie ve Jillian Paulin ’23 ile işbirliği içinde – görüntüleri analiz etti. James Webb Uzay Teleskobu (JWST) ve “karanlık yıldızlar” olabilecek üç parlak nesne, yok edici karanlık madde parçacıkları tarafından desteklenen, güneşimizden çok daha büyük ve parlak teorik nesneler buldu. Doğrulanırsa, karanlık yıldızlar tüm fizikteki en derin çözülmemiş sorunlardan biri olan karanlık maddenin doğasını ortaya çıkarabilir.
Weinberg Teorik Fizik Enstitüsü ve Jeff ve Gail Kodosky Fizik Kürsüsü Direktörü Freese, “Yeni bir yıldız türü keşfetmek başlı başına oldukça ilginç, ancak buna güç verenin karanlık madde olduğunu keşfetmek – bu çok büyük olurdu” dedi. UT Austin’de.
Bu üç nesne (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 ve JADES-GS-z11-0), ilk olarak Aralık 2022’de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) tarafından gökada olarak tanımlandı. Şimdi, Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Katherine Freese’in de dahil olduğu bir ekip, onların aslında “karanlık yıldızlar”, yani yok edici karanlık madde parçacıkları tarafından desteklenen güneşimizden çok daha büyük ve parlak teorik nesneler olabileceklerini tahmin ediyor. Kredi bilgileri: NASA/ESA
Karanlık madde evrenin yaklaşık %25’ini oluştursa da, doğası bilim adamlarının gözünden kaçmış durumda. Bilim adamları, bunun yeni bir tür temel parçacıktan oluştuğuna inanıyor ve bu tür parçacıkları tespit etme arayışı devam ediyor. Önde gelen adaylar arasında Zayıf Etkileşen Büyük Parçacıklar var. Çarpıştıklarında, bu parçacıklar kendilerini yok ederek çökmekte olan hidrojen bulutlarına ısı yayar ve onları parlak bir şekilde parlayan karanlık yıldızlara dönüştürür. Süper kütleli karanlık yıldızların tanımlanması, gözlemlenen özelliklerine dayalı olarak karanlık madde hakkında bilgi edinme olasılığını açacaktır.
Araştırma 11 Temmuz’da yayınlandı. Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
JWST’den nesnelerin spektroskopik özelliklerinin (belirli frekans bantlarındaki ışık yoğunluğunun fazlalığı veya düşüşleri dahil) takip gözlemleri, bu aday nesnelerin gerçekten karanlık yıldızlar olup olmadığını doğrulamaya yardımcı olabilir.
Karanlık yıldızların varlığını doğrulamak, JWST tarafından oluşturulan bir sorunun çözülmesine de yardımcı olabilir: Evrende çok erken çok fazla büyük galaksi var gibi görünüyor standart kozmoloji modelinin tahminlerine uyması için.
Freese, “Standart modeldeki bir şeyin ayar gerektirmesi daha olasıdır, çünkü bizim yaptığımız gibi tamamen yeni bir şey önermek her zaman daha az olasıdır,” dedi. Ancak erken galaksilere benzeyen bu nesnelerden bazıları aslında karanlık yıldızlarsa, galaksi oluşumunun simülasyonları gözlemlerle daha iyi uyuşuyor.”
Üç aday karanlık yıldız (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 ve JADES-GS-z11-0) başlangıçta galaksiler olarak tanımlanan Aralık 2022’de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) tarafından. JADES ekibi, spektroskopik analiz kullanarak nesnelerin Big Bang’den yaklaşık 320 milyon ila 400 milyon yıl sonra değişen zamanlarda gözlemlendionları şimdiye kadar görülen en eski nesnelerden biri yapıyor.
Freese, “James Webb verilerine baktığımızda, bu nesneler için birbiriyle yarışan iki olasılık var” dedi. “Birincisi, bunların milyonlarca sıradan, nüfus-III yıldızını içeren galaksiler olmalarıdır. Diğeri ise karanlık yıldızlar olmalarıdır. İster inanın ister inanmayın, karanlık bir yıldızın tüm yıldız galaksisiyle rekabet edecek kadar ışığı var.”
Karanlık yıldızlar teorik olarak güneşimizin kütlesinin birkaç milyon katına ve güneşin 10 milyar katına kadar parlaklığına kadar büyüyebilir.
“Tekrar tahmin etmiştik 2012, süper kütleli karanlık yıldızların JWST ile gözlemlenebileceğiniColgate Üniversitesi’nde fizik ve astronomi yardımcı doçent olan Ilie, “dedi. “Yakın zamanda yayınlanan yazımızda gösterildiği gibi PNAS makalesinde, dört yüksek kırmızıya kaymalı JADES nesnesi için JWST verilerini analiz ederken zaten üç süper kütleli karanlık yıldız adayı bulduk. Curtis-Lake ve diğerlerive yakında çok daha fazlasını belirleyeceğimizden eminim.”
Karanlık yıldızlar fikri, o zamanlar Santa Cruz’daki California Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Freese ve Doug Spolyar arasındaki bir dizi konuşmadan kaynaklandı. Merak ettiler: Evrende oluşan ilk yıldızlara karanlık madde ne yapıyor? Daha sonra ekibe katılan Utah Üniversitesi’nden bir astrofizikçi olan Paolo Gondolo’ya ulaştılar. Birkaç yıllık geliştirme sürecinden sonra, dergide bu teori üzerine ilk makalelerini yayınladı Fiziksel İnceleme Mektupları 2008 yılında.
Freese, Spolyar ve Gondolo birlikte şuna benzer bir model geliştirdiler: Erken protogalaksilerin merkezlerinde, hidrojen ve helyum gazı bulutlarının yanı sıra çok yoğun karanlık madde kümeleri olacaktı. Gaz soğudukça çökecek ve beraberinde karanlık maddeyi de çekecekti. Yoğunluk arttıkça, karanlık madde parçacıkları gitgide daha fazla ısı ekleyerek yok olacak ve bu da gazın, sıradan bir yıldızda olduğu gibi füzyonu desteklemek için yeterince yoğun bir çekirdeğe çökmesini engelleyecektir. Bunun yerine, daha fazla gaz ve karanlık madde toplamaya devam edecek, büyüyecek, şişecek ve sıradan yıldızlardan çok daha parlak olacaktı. Sıradan yıldızların aksine, güç kaynağı çekirdekte yoğunlaşmak yerine eşit olarak dağılacaktı. Yeterince karanlık madde ile, karanlık yıldızlar güneşimizin kütlesinin birkaç milyon katına ve güneşin 10 milyar katına kadar parlaklığına sahip olacak şekilde büyüyebilir.
Referans: Cosmin Ilie, Jillian Paulin ve Katherine Freese tarafından “JWST tarafından görülen Süper Kütleli Kara Yıldız adayları”, 11 Temmuz 2023, Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı.
DOI: 10.1073/pnas.2305762120
Bu araştırmanın finansmanı, ABD Enerji Bakanlığı’nın Yüksek Enerji Fiziği Ofisi programı ve Stockholm Üniversitesi’ndeki Oskar Klein Kozmoparçacık Fiziği Merkezi’ndeki Vetenskapsradet (İsveç Araştırma Konseyi) tarafından sağlandı.