Тъмни звезди: Първите звезди във Вселената

Тъмните звезди могат да бъдат отговорни за нашето съществуване.

Тъмните звезди могат да бъдат отговорни за нашето съществуване. (Изображение кредит: Тобиас Роетш)



Всичко за космоса

Всичко за космоса брой 117



(Изображение кредит: Бъдеще)

Тази статия ви е предоставена от Всичко за космоса .



Списание „Всичко за космоса“ ви отвежда на едно впечатляващо пътешествие през нашата Слънчева система и извън нея, от невероятните технологии и космически кораби, които позволяват на човечеството да се осмели на орбита, до сложността на космическата наука.

Умира звезда. Внезапна светкавица означава края на експлозия на свръхнова. Това обаче е само част от жизнения цикъл на звездите, тъй като богатите материали, създадени по време на смъртните течения на звездата, се изхвърлят в космоса от свръхновата.

Когато се формира следващото поколение звезди, те изметат остатъците от свръхнова, като натрупват металите, които умиращата звезда произвежда - металите са терминът, който астрономите използват за нещо по -тежко от водород и хелий . Металите са важни; без тях дискът с газ и прах, обграждащ новообразувана звезда, не би могъл да създаде скалисти планети. Но ако новите звезди рециклират металите, получени при смъртта на старите звезди, какво са направили първите звезди?



Вселената започва с Големия взрив, който създава газовете водород и хелий, следи от количество литий и може би берилий също така. Материята започна да се събира, привличайки все повече материал чрез гравитационното привличане. Може да е била тъмна материя - тайнствената субстанция, която все още не е открита директно - която е започнала да се натрупва първа. Това след това привлече обикновената материя, нещата, които можем да видим, като водород и хелий. Заедно тъмната и обикновена материя създадоха това, което е известно като „минихало“, въпреки че името е донякъде подвеждащо, тъй като минихалосите са имали маси около милион пъти повече от нашето слънце.

Откъде дойдоха първите звезди?

Откъде дойдоха първите звезди?(Изображение кредит: Тобиас Роетш)



Именно в мини ореолите първите звезди се раждат 200 милиона години след Големия взрив.

Първите звезди са известни като звезди от популация III и никога не са наблюдавани, тъй като са твърде слаби. Първите звезди трябваше да се справят с това, което имаха на разположение, и се образуваха от облаци, съдържащи само водород и хелий. Когато загиват при експлозии на свръхнови, те произвеждат първите метали за последващата популация от звезди, Популация II, които имат малка част от металите. Те продължиха да раждат богатите на метали звезди от населението I, които имаме днес.

Тъмната материя в минихало може да е направила нещо повече от това да обедини елементи - може да е присъствала и дълбоко в първите звезди. Тези звезди са известни като „тъмни звезди“, поради тъмната материя в тях, въпреки че всъщност биха блестели много ярко.

Всичко, което можем да видим и открием - звездите и галактиките - съставлява само 5% от Вселената, докато тъмната материя съставлява 25%. Останалото е направено от тъмна енергия, друга странност, която се смята за отговорна за ускоряването на разширяването на Вселената. Като ЦЕРН отбелязва, че тъмната материя не взаимодейства с обикновената материя и не произвежда никаква светлина. Знаем само, че тя трябва да е там, тъй като огромната й гравитационна сила дърпа обикновената материя.

Една от водещите теории, опитваща се да обясни невидимата маса във Вселената, е хипотетична частица, известна като WIMP - слабо взаимодействаща масивна частица. „Слабо“ взаимодействие се отнася до връзката им с обикновената материя. Те обаче продължават да си взаимодействат. Всъщност, ако два WIMP се сблъскат помежду си, те ще се унищожат взаимно в процес, известен като унищожаване. Това е така, защото теориите, като напр това учение в Университета на Мериленд, предскажете, че WIMP са свои собствени „античастици“.

Тъмната материя първо се сглобява на бучки и нишки, преди да привлече обикновена материя към нея и след това образува първите звезди

Тъмната материя първо се сглобява на бучки и нишки, преди да привлече обикновена материя към нея и след това образува първите звезди.(Изображение кредит: Том Абел и Ралф Кейлер (KIPAC, SLAC), AMNH)

Обикновената материя има античастици, които са частици със същите свойства, но с противоположен заряд. Атомите се състоят от ядро, заобиколено от електрони. Електроните имат отрицателен заряд и ако срещнат частица, известна като позитрон - с положителен заряд - електронът и позитронът ще се унищожат катастрофално един друг.

Страничен ефект от унищожаването е, че той произвежда енергия. Когато звезда започне да се образува в минихало, срутващият се материал ще съдържа водород, хелий и WIMP. Първоначално енергията, произведена от сблъскващите се WIMP, изтича в космоса, но когато плътността на водорода е достатъчно висока, тя улавя енергията от WIMP вътре в звездата. Въпреки че WIMP съставляват само малка част от масата на звездата, те са толкова ефективни при производството на енергия, че могат да захранват тъмна звезда за милиони или дори милиарди години.

Все още не е ясно дали всички първи звезди са обикновени звезди от популация III без тъмна материя, тъмни звезди или дали и двата типа звезди съществуват съвместно. „Стандартният сценарий за образуването на първите звезди не разчита на унищожаването на тъмната материя“, казва Ерик Закрисън от Университет в Упсала в Швеция. 'Тъмните звезди просто се разглеждат като екзотична алтернатива на стандартния път на формиране.'

Обикновените звезди се захранват от синтез, процес, който превръща водорода в хелий в ядрото на звездата. Звездите от населението III биха били масивни, тежащи около 100 пъти масата на нашето слънце. Въпреки това, те също бяха много горещи и това ограничи количеството материал, който можеха да натрупат. Тъмните звезди, от друга страна, бяха много по -хладни. Това означаваше, че те биха могли да натрупат значително повече от околния материал и теоретично да продължат да растат, стига да има достатъчно тъмна материя, която да ги подхранва, тъй като НАСА бележки. Тъмните звезди биха могли да достигнат маси до милион пъти по -големи от тези на слънцето, с яркост милиард пъти по -ярка от него.

Техниците на НАСА приключват поредица от криогенни тестове на шест берилиеви огледални сегмента на космическия телескоп Джеймс Уеб

Техниците на НАСА завършват поредица от криогенни тестове върху шест берилиеви огледални сегмента на космическия телескоп Джеймс Уеб.(Изображение кредит: НАСА)

Както се казва, всички добри неща трябва да приключат и WIMPs в крайна сметка ще се унищожат един друг. За разлика от звездите от популация III, които приключват живота си като свръхнови, тъмните звезди са толкова масивни, че е обречено да се превърнат в черна дупка. По-малките тъмни звезди биха могли да отклонят по пътя към забравата, като за кратко се запалят като обикновена звезда, захранвана с термоядрен синтез. Когато това се случи, звездата щеше да се свие и да стане по -гореща. Водородът бързо щеше да бъде изразходван в корема на звездата и когато термоядреният двигател вече не можеше да поддържа звездата, щеше да настъпи неизбежният колапс в черна дупка.

Най -масивните от тъмните звезди биха заобиколили напълно етапа на синтез, срутвайки се направо в черна дупка. Тези черни дупки бяха толкова масивни, че предлагат решение на проблем, който преди това е озадачавал учените. Свръхмасивни черни дупки, които могат да бъдат милиарди слънчеви маси, съществуват в центъра на всяка галактика и е известно, че са съществували само милиард години след Големия взрив. Една обикновена звезда, срутваща се в черна дупка, ще се нуждае от повече от няколкостотин милиона години, за да изяде достатъчно материал, за да се превърне в свръхмасивна черна дупка. „Обикновените звезди не могат да го направят, защото обикновените звезди са твърде малки“, обяснява Катрин Фрийз от Тексаски университет в Остин. „Тъмните звезди, от друга страна, могат да нараснат, за да станат милиони пъти по-масивни от слънцето, а след като им свърши горивото, те се срутват в черни дупки с милион слънчева маса, перфектните семена за чудовищни ​​свръхмасивни черни дупки. '

Тъмните звезди неизбежно биха се срутили в черни дупки.

Тъмните звезди неизбежно биха се срутили в черни дупки.(Изображение кредит: ESA)

Свръхмасивните тъмни звезди, задвижвани от WIMP, биха могли да се образуват само в минихалосите на ранната вселена, когато плътността на тъмната материя е била много по-висока от днешната. С течение на времето, когато Вселената се разширяваше, всичко ставаше по -разпръснато, така че вече няма минихалоси, способни да раждат свръхмасивни тъмни звезди.

Това ги ограничава до ранната вселена, което също означава, че те са на голямо разстояние от нас тук, на Земята. Астрономите използват термина „ червено отместване 'за да обозначим разстоянието в космологията, тъй като светлината от далечен обект ще се измести към червения край на спектъра, което позволява да се отдалечава от нас. Тъмните звезди съществуват само при високи червени отмествания, което ги прави наблюдателно предизвикателство. Инфрачервената връзка Ултра дълбоко поле изображения, направени от Хъбъл, са използвани за търсене на тъмни звезди, но не са открити. Това не означава непременно, че те не съществуват, тъй като може да има по -малко светещи тъмни звезди, дебнещи отвъд визията на Хъбъл. Предстоящият космически телескоп Джеймс Уеб (JWST) - който трябва да бъде пуснат на пазара през октомври 2021 г. - ще надмине предшественика си, като погледне по -назад във времето.

„Ако тъмните звезди съществуват и са достатъчно масивни, многобройни и дълготрайни, тогава JWST със сигурност има приличен шанс да потвърди съществуването им при високи червени отмествания“, казва Закрисън. 'Въпреки това, тъй като разпределението на свойствата на тъмната звезда зависи както от свойствата на частиците тъмна материя, така и от космологичната еволюция на ореолите от тъмна материя, които ги приемат, успехът в никакъв случай не е гарантиран.'

Дори ако JWST не може да открие отделни тъмни звезди, той все още може да открие цялостното им сияние. Точно както отделните улични светлини се събират, за да предизвикат вбесяващо жълто сияние над градовете, светлината от звезди и галактики се натрупва в така наречената извънгалактическа фонова светлина (EBL). EBL вече е картографиран до известна степен, но подобрените измервания от JWST ще помогнат да се намерят приносите от тъмните звезди, което досега не е било управляемо.

Свръх дълбокото поле на Хъбъл беше използвано за търсене на тъмни звезди в ранната вселена.

Свръх дълбокото поле на Хъбъл беше използвано за търсене на тъмни звезди в ранната вселена.(Изображение кредит: НАСА / ЕКА и Хъбъл)

Докато унищожаването на WIMP теоретично може да осигури достатъчно гориво, за да поддържа тъмната звезда в продължение на милиарди години, е малко вероятно някоя от тъмните звезди от ранната вселена да е все още днес. Възможно е обаче да съществува ново поколение тъмни звезди, където концентрациите на тъмна материя са все още донякъде високи, например в центъра на галактиките. Тъй като в галактическите центрове има по -малко тъмна материя в сравнение с минихалосите на древната вселена, новото поколение тъмни звезди биха били много по -малко масивни - само еквивалентни на тази на нашето слънце - и никога няма да могат да съперничат на славните дни на първи звезди.

Тъмните звезди от слънчева маса в близост до галактическия център не биха се образували, докато улавят WIMP вътре в тях, а по-скоро чрез улавяне на част от тъмната материя, която се намира в центъра на галактиката. Когато това се случи, нагряването на тъмната материя поема от обикновения синтез, а звездите се охлаждат и разширяват. Това не само би ги накарало да изглеждат по -млади, отколкото са в действителност, но и би могло да удължи живота им експоненциално. Ако имаше достатъчно тъмна материя, за да могат непрекъснато да я натрупват, тъмните звезди биха могли да съществуват за неопределено време. Вечните тъмни звезди могат да подпомогнат живота на някои звезди във Вселената.

Друга възможност е, че „мъртвите“ звезди, като неутронни звезди или бели джуджета в центъра на галактиката, биха могли да съберат достатъчно WIMP, за да задействат нагряване на тъмната материя, както е отбелязано в проучване в Queen's University в Кингстън, Онтарио. В противен случай тези звезди ще станат по -слаби с течение на времето, но с нов източник на отопление те ще получат нов живот и ще изглеждат странно по -млади и горещи от очакваното.

Разбирането на ранните години на нашата чудесна вселена и как са се появили първите звезди е от решаващо значение за разбирането на това, което виждаме около нас днес, както и за разбирането на по -сложните обекти и явления в Слънчевата система. Това е мрачен период, който е труден за наблюдение, но със следващото поколение телескопи, като JWST, най -накрая може да е възможно да се открият както свръхмасивните тъмни звезди от ранната Вселена, така и техните по -малко впечатляващи братовчеди в галактическия център.

Откриването дали звездите от популация III, тъмните звезди или и двете са първите звезди, които са се образували във Вселената, ще окаже дълбоко въздействие върху космологията. Не след дълго ще хвърлим малко светлина върху тези тъмни членове на космоса.