Κυριακή, 18 Ιουνίου 2017

Άστρα που τροφοδοτούνται από την σκοτεινή ύλη θα μπορούσαν να κρατούν μυστικά για το νεαρό σύμπαν

Τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν μπορεί να ήταν πολύ διαφορετικά από τα αστέρια που βλέπουμε σήμερα, αλλά ακόμα θα μπορούσαν να κρύβουν πληροφορίες για την κατανόηση ορισμένων από τα πιο μυστηριώδη χαρακτηριστικά του σύμπαντος. Αυτά τα «σκοτεινά αστέρια," που πρώτη φορά η θεωρία τους αναπτύχθηκε το 2007, θα μπορούσαν να γίνουν πολύ μεγαλύτερα από τα σύγχρονα αστέρια, ενώ θα τροφοδοτούνταν από σωματίδια σκοτεινής ύλης τα οποία θα εξαϋλώνονταν στο εσωτερικό τους, και όχι λόγω της γνωστής μας πυρηνικής σύντηξης.
 
Στις απαρχές του σύμπαντος όμως τα σκοτεινά αυτά άστρα θα φωτοβολούσαν ορατό φως, σαν τον Ήλιο, αλλά σήμερα το φως τους έχει μετατοπιστεί προς το ερυθρό άκρο του φάσματος τώρα που φτάνει η ακτινοβολία τους σε μας, γι αυτό και τα σκοτεινά αυτά αστέρια θα μπορούσαν είναι ορατά ακόμα και με γυμνό μάτι.
Μια προσομοίωση μιας μαύρης τρύπας μπροστά από το Μέγα Νέφος του Μαγγελάνου. Τα σκοτεινά άστρα θα μπορούσαν να γίνουν πολύ μεγαλύτερα από τα κανονικά αστέρια, και μπορεί καταρρέοντας να σχηματίσουν τις γιγαντιαίες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών
 
Τα τελευταία δύο χρόνια, ερευνητές ερεύνησαν κι άλλο τις ιδιότητες των σκοτεινών άστρων, καθώς και το πώς τα  ασυνήθιστα αυτά άστρα μπορούν να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη σκοτεινή ύλη, τις μαύρες τρύπες, και άλλα αστρονομικά στοιχεία. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο New Journal of Physics η ομάδα των επιστημόνων που πρόβλεψε πρώτη με θεωρητικό τρόπο τα σκοτεινά αστέρια, παρουσίασε μια ανασκόπηση της έρευνας για τα σκοτεινά άστρα και έκανε προβλέψεις για το μέλλον στους τομείς της έρευνας τους.
 
Όπως εξηγούν οι επιστήμονες, τα σκοτεινά αστέρια θα αποτέλεσαν μια νέα φάση της αστρικής εξέλιξης – η πρώτη φάση, που συνέβη μόνο 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Εκείνη την εποχή, η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν ήταν υψηλότερη από ό,τι είναι σήμερα, και τα πρώτα αστέρια προβλέπεται ότι είχαν δημιουργηθεί στο μέσον της άλως από σκοτεινή ύλη (που είναι μια πρόδρομη κατάσταση των γαλαξιών), σε αντίθεση με τα σημερινά άστρα που είναι διασκορπισμένα μέχρι τα άκρα ενός γαλαξία. Σύμφωνα με τη θεωρία, τα πρώτα αυτά αστέρια μεγάλωσαν αρκετά από τη μάζα που συσσωρεύτηκε από το περιβάλλον τους, έλκοντας την σκοτεινή ύλη μαζί με το αέριο που τα περιέβαλλε. 
 
Στο εσωτερικό αυτών των άστρων θα μπορούσαν να συσσωρεύονται τα WIMPs, που είναι υποψήφια σωματίδια της σκοτεινής ύλης και τα οποία αλληλεπιδρούν ασθενώς. Δεδομένου ότι τα αντισωματίδια των WIMPs μπορεί να είναι τα ίδια τα σωματίδια, θα μπορούσαν με την εξαΰλωση τους να παράγεται θερμότητα. Εάν λοιπόν η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης ήταν αρκετά υψηλή, τότε αυτή η θερμότητα θα κυριαρχούσε έναντι των άλλων μηχανισμών θέρμανσης (ή ψύξης), όπως για παράδειγμα της πυρηνικής σύντηξης. Σε σύγκριση με την σύντηξη, η εξαύλωση των WIMP είναι μια πολύ αποτελεσματική πηγή ενέργειας, έτσι ώστε μόνο ένα μικρό μέρος της σκοτεινής ύλης είναι απαραίτητη για να τροφοδοτήσει με ενέργεια το σκοτεινό αστέρι.
 
"Τα σκοτεινά αστέρια είναι φυσικό επακόλουθο ότι τα WIMPs είναι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης … αν και μας πήρε αρκετό χρόνο μέχρι να το συνειδητοποιήσουμε αυτό”, λέει η Katherine Freese του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν και μέλος της ομάδας. "Το 2007 που είχαμε προτείνει αυτά τα αντικείμενα, δεν είχαμε συνειδητοποιήσει ότι είναι πραγματικά αστέρια, υπό την έννοια ότι είναι υδροστατικά σταθερά αντικείμενα που λάμπουν και παράγουν ορατό φως. Τώρα που έχουμε καταφέρει να βρούμε την αστρική δομή αυτών των αντικειμένων, κατανοούμε τις ιδιότητες τους: είναι γιγάντια ‘φουσκωμένα’ αντικείμενα (σκεφτείτε τον ήλιο μας να εκτείνεται μέχρι τη Γη) και το φως που παράγουν δίνει την αίσθηση ότι είναι σαν ο Ήλιος μας . Αλλά αυτά μεγαλώνουν έως να γίνουν χιλιάδες ή ακόμη και ένα εκατομμύριο φορές τη μάζα του Ήλιου. Αυτά είναι τα αποτελέσματα από τότε που ξεκίνησε η πρώτη έρευνα μας σε αυτόν τον τομέα."
 
Όπως εξήγησαν οι επιστήμονες, η νέα αυτή μορφή άστρων τελικά καίνε το υδρογόνο τους και η μετάβασή τους σε άλλα είδη αστέρι στο κύριο διάγραμμα ακολουθίας. Από την άλλη πλευρά, η σκοτεινή αστέρια μπορεί να εξακολουθούν να αυξάνονται επ’ αόριστον, εφόσον προσλαμβάνουν συνεχώς σκοτεινή ύλη από το περιβάλλον τους. Αν δεν διαταραχθούν, αυτά τα αστέρια θα μπορούσαν ενδεχομένως να γίνουν δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερα από τον Ήλιο. Ωστόσο, τα περισσότερα σκοτεινά αστέρια θα μπορούσαν πιθανότατα να φύγουν τελικά από την θέση τους στα κέντρα της άλως (φωτοστέφανος) με την σκοτεινή ύλη. Έτσι, η σκοτεινή ύλη που τα τροφοδοτούσε ενεργειακά θα τελειώσει, και τότε τα αστέρια θα αρχίσουν να καταρρέουν, οπότε τελικά θα τροφοδοτούνται ενεργειακά από τη σύντηξη των ατόμων του υδρογόνου, τέλος δε θα καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες. Οι επιστήμονες υπολόγισαν ότι τα σκοτεινά αστέρια έχουν διάρκεια ζωής τουλάχιστον ένα εκατομμύριο χρόνια, και ίσως και δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ θα μπορούσαν να υπάρχουν ακόμη και σήμερα γύρω μας.
 
Οι επιστήμονες προβλέπουν ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να ανιχνευθούν σκοτεινά αστέρια, είτε με την ανίχνευση φωτός τους με τα προσεχή τηλεσκόπια, είτε χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια νετρίνων για τη μέτρηση των νετρίνων που έρχονται από τα σκοτεινά αστέρια. Σε σύγκριση με τα συμβατικά αστέρια της κύριας ακολουθίας, τα σκοτεινά αστέρια που έχουν ‘ξεμείνει’ από τα καύσιμα σκοτεινής ύλης και άρχισαν να χρησιμοποιούν τα συνήθη άτομα για τη σύντηξη θα είναι πολύ μεγαλύτερα, πιο ψυχρά και πιο φουσκωμένα. Και ενώ τα σκοτεινά αστέρια τελικά θα γίνουν μαύρες τρύπες, τα πρώτα αστέρια (χωρίς σκοτεινή ύλη) μετατρέπονται σε σουπερνόβα, δίνοντας στους ερευνητές ένα σημείο σύγκρισης.
 
"Αυτά τα σουπερνόβα γεμίζουν το σύμπαν με βαριά στοιχεία με πολύ ακριβείς αναλογίες," εξήγησε η Freese. "Ωστόσο, έχουμε προβλέψει ότι αυτό δεν θα συμβεί ποτέ στα σκοτεινά αστέρια. Έτσι, αυτή η διάκριση δίνει μια μετρήσιμη δοκιμή των δύο διαφορετικών σεναρίων. Αυτές οι αναλογίες των στοιχείων θα μπορούν να μετρηθούν στα επόμενα πέντε χρόνια και τότε θα ξέρουμε. "
 
Μετρώντας τις ιδιότητες των σκοτεινών άστρων με τα μελλοντικά όργανα, οι επιστήμονες θα μπορούν να ανακαλύψουν λεπτομερείς ιδιότητες της σκοτεινής ύλης. Επειδή διαφορετικά σωματίδια σκοτεινής ύλης παράγουν διάφορα προϊόντα εξαΰλωσης, οι μετρήσεις θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης, όπως τη μάζα τους, τους μηχανισμούς εξαΰλωσης τους, κλπ. Η Freese επίσης έχει σχέδια να διερευνήσει κατά πόσο τα σκοτεινά αστέρια θα μπορούσαν να γίνουν αρκετά μεγάλα για να παράγουν τις γιγάντιες μαύρες τρύπες που σήμερα είναι κάτι το ανεξήγητο.
 
"Μέχρι στιγμής έχουμε δημιουργήσει σκοτεινά αστέρια έως και 1.000 φορές τη μάζα του Ήλιου”, συνεχίζει η Freese. "Αλλά αν αυτά συσσωρεύουν σκοτεινή ύλη από το περιβάλλον τους, μπορούν να καταλήξουν πολύ μεγαλύτερα: πιθανώς ακόμη και ένα εκατομμύριο φορές σαν τον Ήλιο. Αυτός είναι και ο άμεσος στόχος μου όσον αφορά την προσπάθεια της έρευνας. Τέτοια υπερμεγέθη αντικείμενα προτάθηκαν για πρώτη φορά στην δεκαετία του ’60 από τους Fowler και Hoyle, αλλά κανείς δεν ήξερε πώς φτιάχνονται. Αν αυτό λοιπόν είναι σωστό, τότε αυτό βοηθά σίγουρα να εξηγηθούν οι τεράστιες μαύρες τρύπες στο σύμπαν, που κανείς δεν ξέρει πώς να τις εξηγήσει: όταν πεθαίνουν τα υπερμεγέθη αστέρια, αυτά γίνονται μαύρες τρύπες. Έχουν παρατηρηθεί μαύρες τρύπες με δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες που σχηματίστηκαν την εποχή σχηματισμού των πρώτων γαλαξιών, καθώς και εκείνες στα κέντρα των γαλαξιών. "