Mørke stjerner:Mørkt stof kan danne eksploderende stjerner, og observation af skaden kan hjælpe med at afsløre, hvad den består af

Mørkt stof er et spøgelsesagtigt stof, som astronomer har undladt at opdage i årtier, men som vi ved har en enorm indflydelse på normalt stof i universet, såsom stjerner og galakser. Gennem den massive tyngdekraft, den udøver på galakser, drejer den dem op, giver dem et ekstra skub langs deres baner eller river dem endda fra hinanden.

Ligesom et kosmisk karnevalsspejl, bøjer det også lyset fra fjerne objekter for at skabe forvrængede eller flere billeder, en proces, der kaldes gravitationslinser.

Og nyere forskning tyder på, at det kan skabe endnu mere drama end dette ved at producere stjerner, der eksploderer.

På trods af al den kaos, det spiller med galakser, ved man ikke meget om, hvorvidt mørkt stof kan interagere med sig selv, andet end gennem tyngdekraften. Hvis den oplever andre kræfter, skal de være meget svage, ellers ville de være blevet målt.

En mulig kandidat til en mørk stofpartikel, der består af en hypotetisk klasse af svagt interagerende massive partikler (eller WIMP'er), er blevet undersøgt intenst, indtil videre uden observationsbevis.

For nylig er andre typer partikler, også svagt interagerende, men ekstremt lette, blevet fokus for opmærksomheden. Disse partikler, kaldet axioner, blev først foreslået i slutningen af ​​1970'erne for at løse et kvanteproblem, men de kan også passe til regningen for mørkt stof.

I modsætning til WIMP'er, som ikke kan "klistre" sammen for at danne små genstande, kan aksioner gøre det. Fordi de er så lette, ville et enormt antal aksioner skulle stå for alt det mørke stof, hvilket betyder, at de skal proppes sammen. Men fordi de er en type subatomare partikel kendt som en boson, har de ikke noget imod det.

Faktisk viser beregninger, at aksioner kunne pakkes så tæt, at de begynder at opføre sig mærkeligt - kollektivt opføre sig som en bølge - i henhold til kvantemekanikkens regler, teorien, der styrer mikroverdenen af ​​atomer og partikler. Denne tilstand kaldes et Bose-Einstein-kondensat, og det kan, uventet, tillade aksioner at danne deres egne "stjerner".

Dette ville ske, når bølgen bevæger sig af sig selv og danner det, fysikere kalder en "soliton", som er en lokaliseret klump af energi, der kan bevæge sig uden at blive forvrænget eller spredt. Dette ses ofte på Jorden i hvirvler og boblebade, eller de bobleringe, som delfiner nyder under vandet.

Den nye undersøgelse giver beregninger, der viser, at sådanne solitoner ville ende med at vokse i størrelse og blive en stjerne, der svarer til eller større end en normal stjerne. Men til sidst bliver de ustabile og eksploderer.

Den energi, der frigives fra en sådan eksplosion (kaldet en "bosenova") ville konkurrere med en supernova (en eksploderende normal stjerne). I betragtning af at mørkt stof langt opvejer det synlige stof i universet, ville dette helt sikkert efterlade et tegn i vores observationer af himlen. Vi har endnu ikke fundet sådanne ar, men den nye undersøgelse giver os noget at kigge efter.

En observationstest

Forskerne bag undersøgelsen siger, at den omgivende gas, lavet af normalt stof, ville absorbere denne ekstra energi fra eksplosionen og udsende noget af den tilbage. Da det meste af denne gas er lavet af brint, ved vi, at dette lys bør være i radiofrekvenser.

Spændende nok kan fremtidige observationer med Square Kilometer Array-radioteleskopet muligvis opfange det.

Så selvom fyrværkeriet fra eksplosioner af mørke stjerner kan være skjult for os, kan vi måske finde deres eftervirkninger i det synlige stof. Det fantastiske ved dette er, at en sådan opdagelse ville hjælpe os med at finde ud af, hvad mørkt stof faktisk er lavet af – i dette tilfælde højst sandsynligt aksioner.

Hvad hvis observationer ikke vil opdage det forudsagte signal? Det vil sandsynligvis ikke udelukke denne teori fuldstændigt, da andre "axion-lignende" partikler stadig er mulige. En fejl i detektionen kan dog indikere, at masserne af disse partikler er meget forskellige, eller at de ikke kobles så stærkt sammen med stråling, som vi troede.

Det er faktisk sket før. Oprindeligt troede man, at aksioner ville koble sig så stærkt, at de ville være i stand til at afkøle gassen inde i stjerner. Men da modeller for stjernekøling viste, at stjerner var helt fine uden denne mekanisme, måtte aksionskoblingsstyrken være lavere end oprindeligt antaget.

Selvfølgelig er der ingen garanti for, at mørkt stof er lavet af aksioner. WIMP'ere er stadig kandidater i dette løb, og der er også andre.

Nogle undersøgelser tyder i øvrigt på, at WIMP-lignende mørkt stof også kan danne "mørke stjerner". I dette tilfælde ville stjernerne stadig være normale (lavet af brint og helium), hvor mørkt stof kun driver dem.

Disse WIMP-drevne mørke stjerner er forudsagt at være supermassive og kun leve i kort tid i det tidlige univers. Men de kunne observeres af James Webb-rumteleskopet. En nylig undersøgelse har gjort krav på tre sådanne opdagelser, selvom juryen stadig er ude med, om det virkelig er tilfældet.

Ikke desto mindre er begejstringen omkring aksioner stigende, og der er mange planer om at opdage dem. For eksempel forventes aksioner at omdannes til fotoner, når de passerer gennem et magnetfelt, så observationer af fotoner med en bestemt energi er rettet mod stjerner med magnetiske felter, såsom neutronstjerner eller endda solen.

På den teoretiske front er der bestræbelser på at forfine forudsigelserne for, hvordan universet ville se ud med forskellige typer mørkt stof. For eksempel kan aksioner skelnes fra WIMP'er ved den måde, de bøjer lyset gennem gravitationslinser.

Med bedre observationer og teorier håber vi, at mysteriet med mørkt stof snart vil blive låst op.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.