Tamne zvijezde nisu crne. U teoriji, to bi bile prve zvijezde svemira — golemi i vrlo difuzni objekti sastavljeni gotovo isključivo od vodika i helija — čiju bi strukturu od potpunog gravitacijskog urušavanja održavala toplina nastala anihilacijom čestica tamne tvari, a ne prvenstveno nuklearna fuzija.
Nijedna tamna zvijezda još nije potvrđena, ali Svemirski teleskop James Webb već je pronašao nekoliko vrlo udaljenih objekata čiji se sjaj i spektri mogu uklopiti u takav model. Upravo zato ova ideja više nije samo teorijska zanimljivost: postala je jedna od hipoteza koje astronomi uspoređuju s podacima iz kozmičke zore.
Što zapravo znači "tamna" zvijezda?
Naziv je pomalo varljiv. "Tamna" se ne odnosi na izgled objekta, nego na izvor energije. Prema modelima, takva bi zvijezda i dalje bila vrlo sjajna. Većinu njezine mase činili bi obična tvar — vodik i helij nastali u ranom svemiru — dok bi tamna tvar činila tek vrlo mali udio ukupne mase.
Ključ je u česticama koje se u nekim modelima smatraju kandidatima za tamnu tvar, primjerice WIMP-ovima. Ako su takve čestice vlastite antičestice, mogu se međusobno anihilirati. Pritom se dio njihove mase pretvara u energiju. Ako se ta energija zadrži u središtu zvijezde, može zagrijavati plin i održavati ga u ravnoteži.
To je bitna razlika u odnosu na Sunce. U običnoj zvijezdi tlak i temperatura u jezgri omogućuju nuklearnu fuziju, pri kojoj se lakše jezgre spajaju u teže i oslobađaju energiju. Kod tamne zvijezde glavni bi izvor topline u određenoj fazi bio proces povezan s tamnom tvari. Sama tamna tvar pritom nije "materijal od kojeg je zvijezda napravljena", nego mogući izvor energije unutar zvjezdane strukture. Više o tome što znamo, a što još ne znamo o tamnoj tvari, Kozmos je objasnio u tekstu Što je tamna tvar, a što tamna energija?.
Kako bi tamne zvijezde mogle nastati?
Prve zvijezde nisu nastale u današnjim galaksijama, nego u mnogo manjim nakupinama koje su astronomi nazvali minihalima. Takve su strukture većinom činile tamna tvar, a njihova je gravitacija privlačila oblak primordijalnog plina. U tom su plinu gotovo potpuno nedostajali teži elementi, pa su ga činili uglavnom vodik i helij.
Dok se plin pod vlastitom gravitacijom urušavao, hladio se pomoću molekula vodika i skupljao prema središtu minihala. Istodobno je gravitacijsko sažimanje moglo povećati gustoću tamne tvari u području gdje se rađala protozvijezda. Prema modelima, tamnozvjezdana faza počinje tek kada se ispune tri uvjeta: tamne tvari mora biti dovoljno, proizvodi anihilacije moraju ostati zarobljeni u zvijezdi, a zagrijavanje mora nadjačati hlađenje plina.
Ako se to dogodi, urušavanje se usporava ili zaustavlja. Protozvijezda tada može dosegnuti ravnotežu i nastaviti privlačiti materijal iz okolnog oblaka. Modeli tamnih zvijezda obično kreću od objekta približne Sunčeve mase, koji potom može rasti tijekom nakupljanja plina. Koliko će narasti ovisi o količini tamne tvari i uvjetima u halou.
Goleme, hladnije i vrlo sjajne
Prema teorijskim modelima, sažetima u preglednom radu o tamnim zvijezdama, takvi bi objekti imali neobična svojstva. Tamne bi zvijezde bile vrlo velike i difuzne, s polumjerima reda veličine deset astronomskih jedinica, dok bi im površinska temperatura mogla biti oko 10.000 kelvina. To je manje od temperature površine mnogih vrlo masivnih običnih zvijezda, ali takav objekt ne bi bio slab: golema površina mogla bi zračiti ogromnu ukupnu količinu energije.
U nekim modelima tamne zvijezde mogu narasti do više od milijun Sunčevih masa i dosegnuti sjaj milijardama ili čak desetak milijardi puta veći od Sunčeva. Takve brojke treba čitati kao rezultate modela, a ne kao izmjerena svojstva stvarnog objekta. Različite pretpostavke o česticama tamne tvari, dotoku plina i evoluciji zvijezde daju različite mase, polumjere i životne vijekove.
Upravo ih kombinacija velikog sjaja i relativno niske površinske temperature čini zanimljivima za teleskop Webb. Svjetlost iz tog razdoblja zbog širenja svemira putuje prema infracrvenom dijelu spektra, a Webb je napravljen upravo za osjetljiva infracrvena opažanja vrlo udaljenih objekata.
Što je Webb dosad pronašao?
Godine 2023. istraživači su u radu objavljenom u časopisu PNAS predložili da bi tri objekta iz Webbova programa JADES — JADES-GS-z11-0, JADES-GS-z12-0 i JADES-GS-z13-0 — mogla biti supermasivne tamne zvijezde. Njihova fotometrija bila je u skladu s modelima tamnih zvijezda, ali autori su ih nazvali kandidatima. To nije isto što i potvrđeno otkriće: isti podaci mogu se tumačiti i modelima ranih galaksija ili drugih izvora.
U radu objavljenom 2025. u časopisu PNAS isti je istraživački smjer proširen podacima Webbova instrumenta NIRSpec, koji ne mjeri samo ukupnu svjetlinu nego razlaže svjetlost na spektar. Autori su objavili da su JADES-GS-z11-0 i JADES-GS-z13-0 spektroskopski u skladu s tumačenjem tamne zvijezde te dodali dva nova kandidata, JADES-GS-z14-0 i JADES-GS-z14-1.
Najzanimljiviji trag pronađen je u spektru objekta JADES-GS-z14-0: moguća apsorpcija ioniziranog helija na valnoj duljini od 1640 angstrema. U modelima se takva značajka navodi kao obećavajući pokazatelj supermasivne tamne zvijezde. Ipak, signal je slab, a u istom objektu podaci iz opservatorija ALMA upućuju i na moguću emisijsku liniju ioniziranog kisika. Ako se oba rezultata potvrde, jednostavna slika izolirane tamne zvijezde neće biti dovoljna i modeli će morati uključiti složenije okruženje.
Drugim riječima, Webb nije "snimio tamnu zvijezdu" u smislu fotografije na kojoj se vidi njezina površina. Teleskop je izmjerio svjetlost vrlo udaljenih izvora, a astronomi zatim uspoređuju njihove spektre i sjaj s predviđanjima različitih modela.
Kako ih razlikovati od prvih običnih zvijezda?
Najvažniji konkurent tamnim zvijezdama jesu zvijezde Populacije III — prva generacija zvijezda koje bi također nastale od gotovo čistog vodika i helija. Razlika je u izvoru energije: Populacija III trebala bi sjati zahvaljujući fuziji, dok bi tamna zvijezda u ključnoj fazi bila pokretana zagrijavanjem tamnom tvari.
Astronomi zato traže razlike u spektru, temperaturi, veličini i načinu na koji objekt utječe na okolni plin. Neki modeli predviđaju apsorpcijske značajke koje se ne očekuju od uobičajene galaksije sastavljene od mnoštva mladih zvijezda. No nijedan pojedinačni signal zasad nije dovoljno snažan da bi zatvorio raspravu.
Tamne zvijezde također ne treba miješati s pojmom "zvijezda crna rupa". U tom drugom scenariju riječ je o rastućoj crnoj rupi okruženoj gustim omotačem plina. Webbovi podaci pokazuju da takvi objekti mogu biti moguće objašnjenje nekih malih crvenih točaka, ali fizički mehanizam nije isti. Kozmos je o toj alternativi pisao u tekstu Webb pronašao najčvršći trag dosad za neobične "zvijezde crne rupe".
Mogući trag do prvih supermasivnih crnih rupa
Tamne zvijezde zanimljive su i zbog svoje moguće završne faze. Kad bi se zaliha tamne tvari iscrpila, zvijezda bi se morala stisnuti. Manji bi objekti mogli prijeći na fuziju kao glavni izvor energije, dok bi se najmasivniji prema nekim modelima mogli izravno urušiti u crnu rupu.
Takav bi kolaps mogao stvoriti početno sjeme za supermasivne crne rupe. To je važno jer astronomi opažaju vrlo masivne kvazare iz vremena kada je svemir bio star tek nekoliko stotina milijuna godina, pa je teško objasniti kako su njihove crne rupe tako brzo narasle. Tamne zvijezde ne rješavaju automatski taj problem, ali nude jedan od mogućih puteva do dovoljno masivnog početnog objekta. Kozmos je o opažanjima ranih kvazara pisao u tekstu Webb otkrio desetke mladih kvazara u prvoj milijardi svemira.
Za sada je najpošteniji zaključak jednostavan: tamne zvijezde ozbiljna su teorijska mogućnost, a nekoliko Webbovih izvora odgovara njihovim modelima. To još nije potvrda novog tipa zvijezde. Presudit će kvalitetniji spektri, dodatna opažanja i provjera mogu li isti podaci uvjerljivije pripadati ranim galaksijama, zvijezdama Populacije III ili rastućim crnim rupama.
