Odkrycie „ciemnego karła” może otworzyć drzwi do rozszyfrowania tajemnicy ciemnej materii

DNVN - Niedawno opublikowane badanie pokazuje, że tajemnicze „ciemne karły” mogą dostarczyć ważnych wskazówek, które pomogą wyjaśnić prawdziwą naturę ciemnej materii – jednej z największych tajemnic współczesnej kosmologii.

Proponowana nowa klasa obiektów gwiezdnych, zwanych ciemnymi karłami, może kryć się w centrum naszej galaktyki. Te słabe, małomasywne gwiazdy mogą być napędzane nie przez syntezę jądrową, a przez anihilację cząstek ciemnej materii, co mogłoby ujawnić nieuchwytną naturę jednej z największych tajemnic wszechświata. (Koncepcja artystyczna). Źródło: SciTechDaily.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Journal of Astrophysics and Nuclear Astrophysics” zespół naukowców z Wielkiej Brytanii i Hawajów przedstawił koncepcję ciemnych karłów i opisał, jak ludzie mogą je wykrywać za pomocą istniejących instrumentów, w tym Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Nazwa „ciemne karły” nie wynika z ich z natury ciemnej materii, ale z ich ścisłego związku z ciemną materią – materią, która do dziś pozostaje w centrum astrofizyki i kosmologii.

„Uważamy, że 25% wszechświata składa się z materii, która nie emituje światła, przez co jest niewidoczna gołym okiem i przez teleskopy. Możemy ją wykryć jedynie poprzez oddziaływanie grawitacyjne. Dlatego nazywamy ją ciemną materią” – wyjaśnił współautor badania, profesor Jeremy Sakstein z Uniwersytetu Hawajskiego.

Chociaż istnienie ciemnej materii zostało potwierdzone, a naukowcy obserwowali jej zachowanie, jej prawdziwa natura pozostaje tajemnicą. W ciągu ostatnich 50 lat wysunięto wiele hipotez, ale żadna nie została poparta solidnymi danymi eksperymentalnymi. Badania takie jak to mają na celu dostarczenie praktycznych metod przybliżenia się do ostatecznej odpowiedzi.

Wśród czołowych kandydatów na ciemną materię znajdują się słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP) – cząstki o ekstremalnie dużych masach, które bardzo słabo oddziałują ze zwykłą materią. Przenikają one przez wszystko niemal niezauważalne, nie emitują światła, nie podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym, a zatem nie odbijają światła i pozostają niewidoczne. WIMP-y można wykryć jedynie pośrednio, poprzez ich oddziaływanie grawitacyjne. Jest to również rodzaj ciemnej materii niezbędny do istnienia ciemnych karłów.

Ilustracja czarnego karła. Źródło: Obraz stworzony przez zespół Sissa Medialab przy użyciu programu Adobe Illustrator

„Ciemna materia może oddziaływać grawitacyjnie, przez co zostaje uwięziona przez gwiazdy i gromadzi się w ich wnętrzu. Kiedy to nastąpi, może oddziaływać sama ze sobą i anihilować, uwalniając energię, która ogrzewa gwiazdę” – wyjaśnia Sakstein.

Zwykłe gwiazdy, takie jak Słońce, świecą dzięki fuzji jądrowej w swoich jądrach, gdy są wystarczająco masywne, by grawitacja sprężyła materię do tego stopnia, że ​​wywołuje to reakcje między jądrami atomowymi, uwalniając ogromne ilości energii, którą postrzegamy jako światło. Ciemne karły natomiast również świecą, ale nie dzięki fuzji jądrowej.

„Ciemne karły są bardzo małe, ich masa stanowi zaledwie około 8 procent masy Słońca” – powiedział Sakstein. Tak niska masa nie wystarcza do zainicjowania reakcji syntezy jądrowej. Dlatego te obiekty, choć powszechne we Wszechświecie, zazwyczaj emitują jedynie słabą poświatę z energii generowanej przez ich niewielki kolaps grawitacyjny i nazywane są brązowymi karłami.

Jednak gdy istnieją w regionach bogatych w ciemną materię, takich jak centrum Drogi Mlecznej, brązowe karły mogą przekształcać się w inne formy. „Te obiekty gromadzą ciemną materię, co czyni je ciemnymi karłami” – podkreślił Sakstein. „Im więcej ciemnej materii wokół nich, tym więcej jej gromadzą. A im więcej ciemnej materii gromadzą, tym więcej energii mogą wygenerować w wyniku anihilacji”.

Jednak wszystkie te teorie sprawdzają się tylko w przypadku pewnego rodzaju ciemnej materii. „Aby istniały ciemne karły, ciemna materia musi składać się z WIMP-ów, czyli dowolnych masywnych cząstek, które mogą oddziaływać ze sobą, tworząc widzialną materię” – powiedział Sakstein. Inne teorie, takie jak aksjony, sterylne neutrina czy słabe ultralekkie cząstki, są zbyt lekkie, aby wywołać pożądany efekt. Tylko masywne cząstki, które mogą oddziaływać i anihilować w widzialną energię, zapewniłyby wystarczającą energię dla ciemnych karłów.

Aby jednak ta hipoteza była prawidłowa, potrzebna jest konkretna metoda identyfikacji ciemnych karłów. Dlatego Sakstein i jego współpracownicy proponują sygnaturę: lit-7. Jest to pierwiastek, który bardzo szybko spala się w normalnych gwiazdach i szybko zanika. „Jeśli znajdziesz obiekt, który wygląda jak ciemny karzeł, możesz sprawdzić, czy występują w nim ślady litu-7. Jeśli nadal tam jest, nie może to być brązowy karzeł ani nic podobnego” – wyjaśnia Sakstein.

Uważa się, że współczesne instrumenty, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, są w stanie wykryć ekstremalnie zimne obiekty, takie jak ciemne karły. Sakstein sugeruje inne podejście: „Inną opcją jest przyjrzenie się całej populacji, a następnie statystyczne sprawdzenie, czy należy uwzględnić dodatkową populację ciemnych karłów, aby lepiej ją scharakteryzować”.

Jeśli naukowcy zidentyfikują w nadchodzących latach jednego lub więcej ciemnych karłów, czy to wystarczy, aby poprzeć hipotezę, że ciemna materia składa się z WIMP-ów? „Zdecydowanie tak” – odpowiedział Sakstein. „W przypadku kandydatów na lekką ciemną materię, takich jak aksjony, nie sądzę, żebyśmy znaleźli cokolwiek, co przypominałoby ciemnego karła. Nie kumulują się one wewnątrz gwiazd. Jeśli znajdziemy ciemne karły, będzie to mocny dowód na to, że ciemna materia jest masywna i silnie oddziałuje sama ze sobą, ale tylko słabo z modelem standardowym. Dotyczy to również WIMP-ów i niektórych innych egzotycznych modeli”.

Zauważył jednak również, że odkrycie ciemnych karłów nie oznacza koniecznie, że ciemna materia jest WIMP-em, ale może to być WIMP- lub inna forma materii zachowująca się podobnie do WIMP-a.

Jeśli hipoteza ta się potwierdzi, otworzy to nowe kierunki badań i potencjalnie rzuci światło na jedną z największych tajemnic wszechświata.

La Khe (według SciTech Daily)

Source: https://doanhnghiepvn.vn/cong-nghe/phat-hien-sao-lun-toi-co-the-mo-canh-cua-giai-ma-bi-an-vat-chat-toi/20250905082132203