Prve zvijezde u svemiru nastale su iz oblaka čistog vodika i helija u prvih nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska. Nova opažanja svemirskog teleskopa James Webb (JWST) otkrivaju da su neke od tih prvih zvijezda možda bile znatno drugačije od uobičajenih zvijezda koje poznajemo i koje svoj sjaj duguju nuklearnoj fuziji, a koje astronomi proučavaju i katalogiziraju već tisućljećima.
Nedavno istraživanje koje je vodio Cosmin Ilie sa Sveučilišta Colgate, u suradnji sa Shafaatom Mahmudom, Jillian Paulin sa Sveučilišta Pennsylvania i Katherine Freese sa Sveučilišta Texas u Austinu, identificiralo je četiri iznimno udaljena objekta čija promatrana svojstva, i spektar i morfologija, odgovaraju opisu supermasivnih tamnih zvijezda.
“Supermasivne tamne zvijezde su izuzetno sjajni, golemi, ali rašireni oblaci građeni prvenstveno od vodika i helija, koji se održavaju protiv gravitacijskog urušavanja zahvaljujući sitnim količinama samouništavajuće tamne tvari unutar njih”, objašnjava Ilie.
Tamne zvijezde i kozmološke zagonetke
Supermasivne tamne zvijezde i crne rupe koje bi nastale njihovim urušavanjem mogli bi pružiti objašnjenje za dvije aktualne zagonetke u astronomiji: otkriće iznenađujuće velikih, izrazito sjajnih, ali vrlo kompaktnih udaljenih galaksija u JWST podacima te podrijetlo supermasivnih crnih rupa koje pokreću najudaljenije poznate kvazare.
Katherine Freese razvila je izvornu teoriju o tamnim zvijezdama zajedno s Dougom Spolyarom i Paolom Gondolom. Prvi rad objavili su 2008. u časopisu Physical Review Letters, u kojem su predložili kako bi takve tamne zvijezde mogle dovesti do stvaranja supermasivnih crnih rupa u ranom svemiru. U radu iz 2010., objavljenom u Astrophysical Journalu, Freese, Ilie, Spolyar i suradnici identificirali su dva mehanizma putem kojih tamne zvijezde mogu narasti do supermasivnih razmjera te predvidjeli da bi mogle poslužiti kao jezgre za nastanak supermasivnih crnih rupa koje pokreću mnoge od najudaljenijih kvazara.
Iako tamna tvar čini oko 25% svemira, njezina priroda ostaje nepoznata. Danas prevladava mišljenje da se sastoji od novog tipa elementarne čestice koja još nije otkrivena. Potraga za takvim česticama traje već desetljećima, no zaključni dokaz još nije pronađen. Među vodećim kandidatima nalaze se tzv. slabo interaktivne masivne čestice (Weakly Interacting Massive Particles – WIMPs). Kada se sudare, te čestice teoretski bi trebale anihilirati, oslobađajući toplinu unutar urušavajućih oblaka vodika i pretvarajući ih u sjajne tamne zvijezde.
Uvjeti za nastanak tamnih zvijezda bili su pogodni nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska, u središtima halo-struktura od tamne tvari. Upravo tada i ondje očekuje se formiranje prvih zvijezda u svemiru.
“Po prvi put identificirali smo spektroskopske kandidate za supermasivne tamne zvijezde u JWST podacima, uključujući i najranije objekte na crvenom pomaku 14, svega 300 milijuna godina nakon Velikog praska”, rekla je Freese. “Težine milijun puta veće od Sunca, takve rane tamne zvijezde važne su ne samo za razumijevanje tamne tvari, već i kao preteče ranih supermasivnih crnih rupa opaženih JWST-om, koje je inače teško objasniti.”
Kandidati otkriveni u JWST podacima
U istraživanju objavljenom 2023. u časopisu PNAS, Ilie, Paulin i Freese prvi su identificirali kandidate za supermasivne tamne zvijezde (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 i JADES-GS-z11-0) koristeći fotometrijske podatke instrumenta NIRCam na JWST-u. Od tada su postali dostupni i spektri dobiveni instrumentom NIRSpec za te i nekoliko drugih iznimno udaljenih objekata.
Tim je analizirao spektre i morfologiju četiriju najudaljenijih dosad opaženih objekata (uključujući dva kandidata iz studije iz 2023.): JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 i JADES-GS-z11-0. Utvrđeno je da se svi oni mogu tumačiti kao supermasivne tamne zvijezde.
Objekt JADES-GS-z14-1 nije razlučen, što upućuje na to da je riječ o točkastom izvoru, kakav bi mogla biti vrlo udaljena supermasivna zvijezda. Preostala tri objekta izrazito su kompaktna i mogu se opisati modelima supermasivnih tamnih zvijezda koje osvjetljavaju okolnu maglicu, odnosno oblake ioniziranog vodika i helija. Sva četiri analizirana objekta mogu se, prema ranijim radovima, tumačiti i kao galaksije. Ipak, tamne zvijezde trebale bi imati jedno karakteristično obilježje: apsorpcijski trag na 1640 angstrema, koji nastaje zbog velikih količina jednostruko ioniziranog helija u njihovim atmosferama. Jedan od četiri analizirana objekta upravo pokazuje taj signal.
“Jedan od najuzbudljivijih trenutaka bio je kada smo pronašli apsorpcijski pad na 1640 angstrema u spektru objekta JADES-GS-z14-0. Iako je omjer signal-šum te značajke relativno nizak (S/N ~2), ovo je prvi put da smo pronašli potencijalni izravni trag tamne zvijezde, što je samo po sebi izvanredno”, rekao je Ilie.
Moguće implikacije i nova područja istraživanja
Astronomi koji koriste Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) izmjerili su spektar istog objekta i u njemu otkrili prisutnost kisika kroz emisijsku liniju maglice. Znanstvenici ističu da, ako se oba spektralna obilježja potvrde, objekt ne može biti izolirana tamna zvijezda, nego je vjerojatnije da se radi o tamnoj zvijezdi koja se nalazi u okruženju bogatom metalima.
To bi mogao biti rezultat spajanja, u kojem se halo od tamne tvari s tamnom zvijezdom spojio s galaksijom. Alternativno, tamne zvijezde i obične zvijezde mogle su nastati unutar istog halo-strukturalnog okvira, što sada istraživači smatraju mogućim.
Identifikacija supermasivnih tamnih zvijezda otvorila bi mogućnost proučavanja čestica tamne tvari na temelju opaženih svojstava tih objekata te bi uspostavila novo područje astronomije: istraživanje zvijezda koje svoj sjaj duguju tamnoj tvari.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
