Celestial -genstande kendt som mørke dværge gemmer sig muligvis i midten af vores galakse og kan tilbyde centrale ledetråde for at afsløre arten af en af de mest mystiske og grundlæggende fænomener i nutidig kosmologi: mørkt stof.
Et papir offentliggjort i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Af et team af forskere med base i Storbritannien beskriver Hawaii disse objekter for første gang og foreslår, hvordan man verificerer deres eksistens ved hjælp af aktuelle observationsværktøjer som James Webb Space Telescope. Papiret har titlen “Dark Dwarfs: Dark Matter-Powered Sub-Stellar Objects, der afventer opdagelse på Galactic Center.”
Anglo-US-teamet bag undersøgelsen kaldte dem mørke dværge. Ikke fordi de er mørke kroppe – på det modsatte – men på grund af deres specielle forbindelse med Dark Matter, et af de mest centrale emner inden for nuværende kosmologi og astrofysikforskning.
“Vi tror, at 25% af universet er sammensat af en type stof, der ikke udsender lys, hvilket gør det usynligt for vores øjne og teleskoper. Vi registrerer det kun gennem dens gravitationseffekter. Derfor kalder vi det mørkt stof,” forklarer Jeremy Sakstein, professor i fysik ved University of Hawai’i og en af undersøgelsens forfattere.
Det, vi ved i dag om mørkt stof, er, at det eksisterer, og hvordan det opfører sig – men endnu ikke, hvad det faktisk er. I løbet af de sidste 50 år er der foreslået adskillige hypoteser, men ingen har endnu ikke samlet nok eksperimentelle beviser til at sejre. Undersøgelser som den af Sakstein og kolleger er vigtige, fordi de tilbyder konkrete værktøjer til at bryde denne dødvande.
Blandt de mest kendte mørke stofskandidater er de svagt interagerende massive partikler (WIMP’er)-meget massive partikler, der interagerer meget svagt med almindelige stoffer: de passerer tingene, der ikke er bemærket, udsender ikke lys og reagerer ikke på elektromagnetiske kræfter (så de ikke reflekterer lys og forbliver usynlige) og afslører sig kun gennem deres gravitationseffekter. Denne type mørke stof ville være nødvendigt for mørke dværge at eksistere.
“Dark Matter interagerer gravitationsmæssigt, så det kan fanges af stjerner og akkumuleres inde i dem. Hvis det sker, kan det også interagere med sig selv og udslette, hvilket frigiver energi, der opvarmer stjernen,” forklarer Sakstein.
Almindelige stjerner – som vores sol – skyder, fordi nukleare fusionsprocesser forekommer i deres kerner, hvilket genererer store mængder varme og energi. Fusion sker, når en stjernes masse er stor nok til, at gravitationskræfter komprimerer stof mod midten med en sådan intensitet, at de udløser reaktioner mellem atomkerner. Denne proces frigiver en enorm mængde energi, som vi ser som lys. Mørke dværge udsender også lys – men ikke på grund af nuklear fusion.
“Mørke dværge er meget lave masseobjekter, ca. 8% af solens masse,” forklarer Sakstein. En sådan lille masse er ikke tilstrækkelig til at udløse fusionsreaktioner.
Af denne grund udsender sådanne genstande – selvom det er meget almindelige i universet – normalt kun et svagt lys (på grund af energien, der er produceret af deres relativt lille gravitationskontraktion) og er kendt af forskere som brune dværge.
Men hvis brune dværge er placeret i regioner, hvor mørkt stof er særligt rigeligt – såsom centrum for vores galakse – kan de omdannes til noget andet.
“Disse genstande indsamler det mørke stof, der hjælper dem med at blive en mørk dværg. Jo mere mørkt stof du har omkring, jo mere kan du fange,” forklarer Sakstein. “Og jo mere mørkt stof ender inde i stjernen, jo mere energi produceres gennem dens udslettelse.”
Men alt dette er afhængig af en bestemt type mørkt stof. “For at mørke dværge skal eksistere, skal mørke stof være lavet af wimps eller enhver tung partikel, der interagerer med sig selv så stærkt at producere synligt stof,” siger Sakstein.
Andre kandidater, der er foreslået at forklare mørke stof – såsom aksioner, uklare ultralette partikler eller sterile neutrinoer – er alt for lette til at give den forventede effekt i disse objekter. Kun massive partikler, der er i stand til at interagere med hinanden og udslette i synlig energi, kunne drive en mørk dværg.
Hele denne hypotese ville imidlertid have ringe værdi, hvis der ikke var en konkret måde at identificere en mørk dværg på. Af denne grund foreslår Sakstein og kolleger en karakteristisk markør. “Der var et par markører, men vi foreslog Lithium-7, fordi det virkelig ville være en unik effekt,” forklarer videnskabsmanden.
Lithium-7 brænder meget let og forbruges hurtigt i almindelige stjerner. “Så hvis du var i stand til at finde et objekt, der lignede en mørk dværg, kunne du kigge efter tilstedeværelsen af dette lithium, fordi det ikke ville være der, hvis det var en brun dværg eller en lignende genstand.”
Værktøjer som James Webb -rumteleskopet kan muligvis allerede være i stand til at registrere ekstremt kolde himmelobjekter som mørke dværge. Men ifølge Sakstein er der en anden mulighed. “Den anden ting, du kunne gøre, er at se på en hel population af genstande og spørge på en statistisk måde, hvis det er bedre beskrevet ved at have en underpopulation af mørke dværge eller ej.”
Hvis vi i de kommende år formår at identificere en eller flere mørke dværge, hvor stærk ville den ledetråd være til støtte for hypotesen om, at mørkt stof er lavet af wimps?
“Med rimelighed stærkt. Med lette mørke stofskandidater, noget som en aksion, tror jeg ikke, du ville være i stand til at få noget som en mørk dværg. De akkumuleres ikke inde i stjerner. Hvis vi formår at finde en mørk dværg, ville det give overbevisende bevis for, at mørke stof Sakstein.
At observere en mørk dværg ville ikke endeligt fortælle os, at mørk stof er en wimp, men det ville betyde, at det enten er en wimp eller noget, der til alle formål opfører sig som en wimp.