Varhainen maailmankaikkeus kätkee yhä monia salaisuuksia, ja James Webb -avaruusteleskooppi on mahdollisesti tehnyt löydön, joka voi mullistaa käsityksemme ensimmäisistä tähdistä. Jotkut kaukaisimmista koskaan havaituista kohteista ovat niin outoja, että ne saattavat kuulua täysin uuteen tähtien luokkaan, jotka eivät saa energiaa tavallisista ydinreaktioista.
Käyttämällä James Webb -avaruusteleskoopin NIRSpec-laitteen keräämiä spektroskooppisia tietoja, tutkijaryhmä on tunnistanut neljä potentiaalista ehdokasta näiden ”pimeiden tähtien” rooliin. Yksi niistä, JADES-GS-z14-0, osoittaa erityisen kiinnostavan heliumabsorptiosignaalin, joka voi epäsuorasti viitata sen epätavalliseen toimintaan. Nämä havainnot on saatu JADES-tutkimuksessa, joka tutkii kaukaisia kolkkia maailmankaikkeudessa ennennäkemättömällä tarkkuudella ja mahdollistaa huikeiden etäisyyksien päässä sijaitsevien kohteiden kemiallisen koostumuksen analysoinnin.
Käsite pimeästä tähdestä esitettiin ensimmäisen kerran vuonna 2007 selittämään, kuinka tietyt avaruusrakenteet voivat saavuttaa kokoa ja kirkkautta, jotka ovat ristiriidassa vakiintuneiden mallien kanssa. Toisin kuin tavalliset tähdet, jotka saavat energiansa ydinsynteesistä , nämä hypoteettiset kohteet voisivat saada energiaa pimeän aineen , näkymättömän aineen, joka muodostaa suurimman osan maailmankaikkeuden massasta, annihiloitumisen kautta. Tämä vaihtoehtoinen energialähde mahdollistaisi niiden saavuttavan valtavia massoja, jopa miljoona kertaa suurempia kuin Auringon massa, ja loistavan samalla ilmiömäisellä voimakkuudella.
Kuitenkin ALMA-teleskoopin Chilessä tekemä hapen havainto JADES-GS-z14-0:n ympärillä on herättänyt epäilyksiä tutkijoiden keskuudessa, koska tämä alkuaine syntyy yleensä tähdissä ydinsynteesin avulla. Tutkimusryhmä työskentelee parhaillaan määrittääkseen pimeän tähden skenaariossa mahdollisen hapen enimmäismäärän, pyrkien asettamaan selkeän rajan näiden eksoottisten kohteiden ja tavallisten supermassiivisten primaaritähtien välille.
Tiedeyhteisö on edelleen jakautunut mielipiteissään näiden pimeiden tähtien todellisesta olemassaolosta. Monet III-populaation tähtien, universumin ensimmäisten tähtien, asiantuntijat pitävät niiden muodostumiseen tarvittavia olosuhteita erittäin epätodennäköisinä. Pääasiallinen kiistanalainen kysymys koskee näiden kohteiden erottamisen vaikeutta perinteisistä supermassiivisista primaaritähtistä, jotka voivat osoittaa samanlaisia spektriominaisuuksia huolimatta periaatteellisesti erilaisista fysikaalisista mekanismeista.
Tämän kysymyksen lopulliseksi ratkaisemiseksi tutkijat aikovat automatisoida tyypillisten spektriominaisuuksien etsimisen James Webb –teleskoopin keräämästä valtavasta tietomäärästä. Vain lisähavaintojen kerääminen mahdollistaa sen määrittämisen, olemmeko todistamassa uuden luokan avaruuskohteiden löytymistä vai vain jo tunnettujen primaaristen tähtien erityistä ilmentymää.
Pimeä aine, pimeiden tähtien moottori
Pimeä aine muodostaa noin 85 % kaikesta aineesta maailmankaikkeudessa, mutta sen tarkka luonne on edelleen yksi modernin kosmologian suurimmista mysteereistä. Toisin kuin tavallinen materia, joka on vuorovaikutuksessa valon kanssa, tämä näkymätön aine ei säteile eikä absorboi sähkömagneettista säteilyä, mikä tekee sen suorasta havaitsemisesta erittäin vaikeaa.
Tumman tähden tapauksessa tumman aineen hiukkaset tuhoutuvat vapauttaen energiaa E = mc² -periaatteen mukaisesti. Tämä prosessi vapauttaa huomattavan määrän energiaa, estäen kaasupilven gravitaation romahtamisen, joka olisi riittävä ydinsynteesin aloittamiseen.
Tämän mekanismin tärkein etu on sen poikkeuksellinen kestävyys. Kun tavalliset tähdet kuluttavat ydinpolttoaineensa muutamassa miljoonassa tai miljardissa vuodessa, pimeä tähti voi teoriassa loistaa loputtomasti, kunhan sillä on pimeän aineen varasto ja sen ydin ei ”saastu” raskaiden alkuaineiden muodostumisen vuoksi.
Tämä hypoteesi avaa näkymiä ensimmäisten kosmisten rakenteiden muodostumisen ymmärtämiselle ja voi selittää joitakin mystisiä havaintoja, kuten liian massiivisten galaksien olemassaolon, jotka on löydetty liian nuoresta universumista.
Populaation III tähdet, kosmiset esi-isät
Populaatio III:n tähdet ovat ensimmäisen sukupolven tähtiä, jotka muodostuivat alkuräjähdyksen jälkeen. Ne koostuvat yksinomaan vedystä, heliumista ja litiumin jäämistä. Niiden tutkiminen on vakava ongelma universumin kemiallisen evoluution ymmärtämiselle, koska juuri ne tuottivat ensimmäiset raskaat alkuaineet nukleosynteesin avulla.
Nämä primaariset tähdet muodostuivat todennäköisesti olosuhteissa, jotka olivat täysin erilaiset kuin nykyisessä maailmankaikkeudessa, puhtaista kaasupilvistä, joissa ei ollut heliumia raskaampia alkuaineita. Tämä erityinen koostumus johti todennäköisesti erittäin massiivisten tähtien muodostumiseen, joiden ominaisuudet eroavat radikaalisti nykyisten tähtien ominaisuuksista.
Populaatio III:n tähtien etsiminen on vakava tekninen haaste, koska ne olivat olemassa suhteellisen lyhyen ajan ja paloivat loppuun yli 13 miljardia vuotta sitten. James Webb -teleskooppi, jolla on poikkeuksellinen herkkyys infrapuna-alueella, tarjoaa ensimmäistä kertaa mahdollisuuden havainnoida näitä kohteita suoraan.
Tummat tähdet eroavat tavallisista populaatio III:n tähdistä hienojen spektriominaisuuksien ja niiden ajallisen evoluution erojen perusteella, mikä vaatii monimutkaisia teoreettisia malleja ja erittäin tarkkoja havaintoja.
