Šta su tamne zvijezde i zašto mijenjaju naše razumijevanje kosmosa?

Najnovija, zapanjujuća posmatranja sa Svemirskog teleskopa James Webb (JWST) nagovještavaju da prve zvijezde u svemiru možda nisu bile obična sunca pogonjena fuzijom, već kolosalne “supermasivne tamne zvijezde” čiji je izvor energije bila anihilacija tamne materije.

Ovo potencijalno epohalno otkriće ne samo da bi moglo riješiti dvije najveće misterije rane kosmologije – porijeklo supermasivnih crnih rupa i neočekivanu svjetlost prvih galaksija – već bi moglo biti i prvi direktan dokaz o prirodi same tamne materije.

Od svog lansiranja, JWST neprestano šalje podatke koji izazivaju postojeće kosmološke modele.

Jedan od najvećih problema predstavljaju galaksije u ranom svemiru koje se čine “prevelike i previše sjajne” za svoju dob.

Standardna teorija predviđa da su se prve strukture formirale postepeno.

Međutim, Webb vidi zrele, masivne galaksije tamo gdje bismo očekivali tek male, blijede “bebe”.

Upravo ova zagonetka natjerala je naučnike da razmotre radikalne nove ideje, a jedna od najfascinantnijih je hipoteza o tamnim zvijezdama.

Šta su ‘tamne zvijezde’?

U kosmičkoj tami, samo nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska, iz netaknutih oblaka vodika i helija rađale su se prve zvijezde.

Tim naučnika, predvođen Cosminom Ilieom sa Univerziteta Colgate i Katherine Freese sa Univerziteta u Teksasu, sada tvrdi da su identifikovali četiri objekta koji bi mogli biti upravo tamne zvijezde.

“Supermasivne tamne zvijezde su nevjerovatno sjajni, divovski, ali istovremeno i ‘pahuljasti’ oblaci. Ono što ih sprječava da se uruše pod vlastitom gravitacijom nije pritisak zbog nuklearne fuzije, već energija oslobođena anihilacijom čestica tamne materije unutar njih,” objasnio je Ilie.

Za razliku od normalnih zvijezda koje zahtijevaju ekstremno visoke temperature i pritisak u jezgri za pokretanje fuzije, tamne zvijezde su “hladnije” i difuznije.

Upravo ta osobina im omogućava da narastu do nezamislivih veličina, postajući i do milion puta masivnije i milijardu puta sjajnije od našeg Sunca, zasjenjujući čitave galaksije.

Teorija stara deceniju

Ideju o tamnim zvijezdama prva je predložila Katherine Freese sa svojim saradnicima još 2008. godine, u vrijeme kada je takva zamisao graničila sa naučnom fantastikom.

Njihova teorija se zasniva na jednom od vodećih kandidata za tamnu materiju – slabo interaktivnim masivnim česticama (WIMP-ovima).

Prema modelu, u centrima gustih oreola tamne materije ranog svemira, gdje su se formirale prve zvijezde, koncentracija WIMP-ova je bila ogromna.

Kada se dva WIMP-a sudare, oni se međusobno unište (anihiliraju) i oslobađaju energiju.

Ova energija je zagrijavala prvobitne oblake plina, efikasno zaustavljajući njihov kolaps u kompaktne, fuzijom pogonjene zvijezde i umjesto toga stvarajući ove gigantske, blistave objekte.

Četiri kosmička sumnjivca

Istraživački tim je analizirao četiri najudaljenija objekta ikada posmatrana: JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 i JADES-GS-z11-0.

Najstariji od njih viđen je u stanju kakvom je bio samo 300 miliona godina nakon Velikog praska.

Sva četiri kandidata su u skladu s onim što se očekuje od supermasivnih tamnih zvijezda. Iako se ovi objekti mogu interpretirati i kao mlade galaksije, nekoliko detalja ide u prilog novoj hipotezi.

Ključni dokaz, svojevrsni “potpis” tamne zvijezde, trebala bi biti apsorpciona linija na talasnoj dužini od 1640 angstrema¹, koja nastaje zbog velike količine joniziranog helija.

Upravo takav, iako slab, signal detektovan je u spektru objekta JADES-GS-z14-0.

“Trenutak kada smo pronašli tu liniju bio je jedan od najuzbudljivijih. Iako je signal slab, ovo je prvi put da imamo potencijalni ‘dimni pištolj’,” rekao je Ilie.

Novi zaplet

Međutim, kosmos rijetko nudi jednostavne odgovore. Naknadna posmatranja istog objekta teleskopom ALMA otkrila su prisustvo kisika.

Budući da se teški elementi poput kisika stvaraju tek u kasnijim generacijama običnih zvijezda, to znači da JADES-GS-z14-0 ne može biti izolovana, “prvobitna” tamna zvijezda.

Naučnici sada razmatraju dvije mogućnosti: ili je riječ o tamnoj zvijezdi smještenoj unutar okruženja koje je već obogaćeno elementima iz obližnje galaksije, ili su tamne i obične zvijezde mogle nastati unutar istog kosmičkog susjedstva.

Potvrda postojanja tamnih zvijezda imala bi revolucionarne posljedice.

Prvo, riješila bi problem “nemoguće ranih” supermasivnih crnih rupa, jer bi tamne zvijezde na kraju svog života kolabirale direktno u masivne crne rupe, preskačući dugotrajni proces rasta.

Drugo, objasnila bi zašto su neki od najranijih objekata koje JWST vidi tako sjajni – možda ne gledamo u galaksije sa stotinama miliona zvijezda, već u pojedinačne, gigantske tamne zvijezde.

Najvažnije od svega, ovo bi bio prvi put da smo detektovali efekte tamne materije van njenog gravitacionog uticaja, što bi nam konačno moglo otkriti njenu pravu prirodu.

Time bi se otvorilo potpuno novo polje astronomije, posvećeno proučavanju zvijezda koje ne pokreće vatra fuzije, već misteriozna supstanca koja (barem prema teorijama) čini većinu našeg svemira.

Napomene:

1. Angstrem (Å) je jedinica dužine koja se najčešće koristi u fizici, astronomiji i spektroskopiji za mjerenje talasnih dužina svjetlosti, veličina atoma i međuatomskih razmaka. 1 angstrem iznosi 10⁻¹⁰ metara ↩︎