Tamni patuljci pritajeni u centru naše galaksije mogli bi ukazati na prirodu tamne materije

Svemirski objekti poznati kao tamni patuljci možda se skrivaju u centru naše galaksije i mogu dati ključne informacije za otkrivanje prirode jednog od najmisterioznijih i fundamentalnih fenomena savremene kosmologije – tamne materije.

Istraživači iz Ujedinjenog Kraljevstva i Havaja opisuju ove objekte prvi put i predlažu kako da se verifikuje njihovo postojanje pomoću sadašnjih opservacionih instrumenata kao što je svemirski teleskop „Džejms Veb“.

Preporučujemo

Ta tela su nazvana „tamni patuljci“ ne zato što su tamna – naprotiv – već zbog specijalne veze sa tamnom materijom, jednom od najvažnijih tema današnje kosmologije i astrofizike.

„Mislimo da je 25% univerzuma sačinjeno od tipa materije koja ne emituje svetlost, zbog čega je nevidljiva za naše oči i teleskope. Detektujemo je samo putem njenih gravitacionih efekata. Zbog toga je nazivamo tamnom materijom“, objašnjava Džeremi Sakstajn, profesor fizike na Univerzitetu Havaja.

O tamnoj materiji danas znamo da postoji i kako se ponaša – ali ne šta ona zapravo jeste. Tokom proteklih 50 godina, nekoliko hipoteza je predloženo, ali nijedna još nije sakupila dovoljno eksperimentalnih dokaza da bi preovladala. Nova studija nudi konkretna sredstva za prevazilaženje zastoja.

Među najpoznatijim kandidatima za tamnu materiju nalaze se veoma masivne čestice koje vrlo slabo reaguju sa običnom materijom (WIMP): one prolaze kroz stvari neprimećene, ne emituju svetlost i ne reaguju na elektromagentne sile (tako da ne reflektuju svetlost i ostaju nevidljive), a otkrivaju se samo putem svojih gravitacionih efekata. Ovaj tip tamne materije bio bi nužan da bi tamni patuljci postojali.

„Interakcija tamne materije je gravitaciona, tako da bi je mogle uhvatiti zvezde i akumulirati u sebi. Ako se to desi, takođe bi se mogla naći u interakciji sa samom sobom i potpuno se uništiti, oslobađajući energiju koja zagreva zvezdu“, kaže Sakstajn.

Obične zvezde – kao naše Sunce – sijaju zato što se procesi nuklearne fuzije odvijaju u njihovim jezgrima, stvarajući ogromne količine toplote i energije. Fuzija se dešava kad je masa zvezde dovoljno velika da gravitacione sile kompresuju materiju ka centru tolikom snagom da izazivaju reakcije između atomskih jezgara. Taj proces oslobađa ogromnu količinu energije, koju vidimo kao svetlost.

Tamni patuljci takođe emituju svetlost – ali ne zbog nuklearne fuzije. Oni su objekti sa veoma malom masom, oko 8% mase Sunca. Tako mala masa nije dovoljna da izazove fuzione reakcije.

Zbog toga takvi objekti – iako veoma uobičajeni u svemiru – obično emituju slabu svetlost (usled energije koju proizvodi njihovo relativno malo gravitaciono zbijanje) i poznati su naučnicima kao smeđi patuljci.

Međutim, ako se smeđi patuljci nalaze u regionima gde je tamna materija naročito obilna – kao u centru naše galaksije – oni mogu da se pretvore u nešto drugo.

Ovi objekti sakupljaju tamnu materiju koja im pomaže da postanu tamni patuljci. Što više tamne materije imate okolo – više možete da uhvatite. I što više tamne materije završi unutar zvezde – više energije će biti proizvedeno njenim uništenjem“, objašnjava Sakstajn.

Međutim, sve ovo se oslanja na specifičan tip tamne materije. Da bi tamni patuljci postojali, tamna materija mora biti sačinjena od WIMP čestica, ili bilo koje teške čestice koja reaguje sa sobom tako snažno da proizvodi vidljivu materiju.

Drugi kandidati predloženi za objašnjenje tamne materije – kao što su aksioni, ultralake čestice, ili sterilni neutrini – svi su previše laki da bi proizveli očekivene efekte. Samo masivne čestice, sposobne za uzajamnu reakciju i uništenje u vidljivu energiju, mogle bi napajati tamnog patuljka.

Čitava hipoteza, pak, ne bi mnogo vredela da nema konkretnog načina za identifikaciju tamnog patuljka. Naučnici predlažu distinktivan marker: litijum-7 pošto bi efekat bio zaista poseban.

Litijum-7 gori vrlo lako i brzo se konzumira u običnim zvezdama. Tako da ako pronađete objekat sličan tamnom patuljku možete tragati za prisustvom ovog litijuma pošto ga ne bi bilo ako je u pitanju smeđi patuljak ili neki sličan objekat.

Instrumenti kao što je „Džejms Veb“ su možda već sposobni da detektuju ekstremno hladne objekte poput tamnih patuljaka. Međutim, postoji još jedna mogućnost. Možete posmatrati čitavu populaciju objekata i postaviti pitanje, u statističkom smislu, da li je bolji opis da postoji neka subpopulacija tamnih patuljaka.

Ako bi u narednim godinama bio identifikovan jedan ili više tamnih patuljaka, koliko bi to snažno podržalo hipotezu da je tamna materija sačinjena od WIMP čestica?

„Prilično snažno. Sa lakim kandidatima za tamnu materiju, poput aksiona, ne bismo mogli imati nešto kao što je tamni patuljak. Oni se ne akumuliraju u zvezdama. Ako pronađemo tamnog patuljka, bio bi to jak dokaz da je tamna materija teška i da snažno reaguje sa samom sobom, ali slabo sa Standardnim modelom. To uključuje klase WIMP čestica, ali bi uključivalo i neke egzotičnije modele“, zaključuje Sakstajn.

Opservacija tamnog patuljka ne bi nam definitivno rekla da je tamna materija WIMP, ali bi značila da je ili WIMP ili nešto što se, na sve važne načine, ponaša kao WIMP.

(Telegraf Nauka/Phys.org)