James Webb Teleskobu, İlk Muhtemel "Karanlık Yıldızları" Görüntüledi!

Yıldızlar füzyon, yani atomların bir araya gelip enerji salması sayesinde uzayın karanlığında ışıl ışıl parlar. Peki ya yıldızlara güç sağlamanın başka bir yolu varsa?

Austin, Texas Üniversitesi'nden Katherine Freese ile Colgate Üniversitesi'nden Cosmin Ilie ve Jillian Paulin'den oluşan bir ekip, James Webb Teleskobu'ndan (JWUT) gelen görüntüleri incelerken yok olan karanlık madde parçacıklarından güç alan, Güneş'imizden çok daha büyük ve parlak olan teorik cisimler, yani karanlık yıldızlar olabilecek üç parlak cisim fark ettiler. Eğer hipotez doğrulanırsa bu yıldızlar, fiziğin çözülmemiş en derin problemlerden biri olan karanlık maddenin doğasını ortaya çıkarabilir. Weinberg Teorik Fizik Enstitüsü müdürü ve UT Austin'de Jeff ve Gail Kodosky Fizik Bölümü Başkanı Freese bu konuda şunları söylüyor:

Yeni bir tür yıldız keşfetmek zaten yeterince ilginç, ama ona gücünü sağlayan karanlık maddeyi de keşfetmek gerçekten olağanüstü olurdu.

Evrenin yaklaşık %25'ini oluşturmasına rağmen, karanlık maddenin doğası bilim insanları için hala bir gizem. Bilim insanları, karanlık maddenin yeni bir tür temel parçacıktan oluştuğuna inanıyor, hatta bu parçacıkları keşfetme yarışı çoktan başladı bile. Önde gelen olasılıklar veya "adaylar" arasında da Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacıklar var. Bu parçacıklar çarpıştıkları zaman kendilerini yok ederek çökmekte olan hidrojen bulutlarına ısı yayar ve onları ışıl ışıl parlayan karanlık yıldızlara dönüştürür. Süper kütleli karanlık yıldızların keşfedilmesi, bize karanlık maddeyi gözlemlenen özelliklerine dayanarak öğrenme imkânı sunabilir.

James Webb Uzay Teleskobu'nun cisimlerin spektroskopik özelliklerinin (belirli frekans bantlarındaki ışık yoğunluğunun düşüşleri veya fazlalığı dahil) takip gözlemleri, bu cisimlerin gerçekten karanlık yıldızlar olup olmadığını doğrulamaya yardımcı olabilir.

Karanlık yıldızların varlığını doğrulamak, JWUT'un sebep olduğu bir ikiliğin çözülmesine yardımcı olabilir. Sorun şu ki, görünüşe göre evrende standart kozmoloji modelinin tahminlerine uyamayacak kadar yaşlı ve büyük galaksiler mevcut. Freese bu konuda şöyle söylüyor:

Bizim yaptığımız gibi tamamen yeni bir şey öne sürmek hep daha az olası olduğundan, büyük ihtimalle Standart Modeldeki bir şeyin düzeltilmesi gerekiyor. Ancak yaşlı galaksilere benzeyen bu cisimlerden bazıları aslında karanlık yıldızlarsa, galaksi oluşumu simülasyonları gözlemlerle daha çok uyuşuyor demektir.

JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 ve JADES-GS-z11-0 adında üç "aday" karanlık yıldız, ilk olarak Aralık 2022'de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) tarafından galaksi olarak tanımlanmıştı. Spektroskopik analiz kullanılarak cisimlerin Büyük Patlama'dan yaklaşık 320 ila 400 milyon yıl sonra gözlemlendiği doğrulandı ve bu da onları şimdiye kadar görülen en yaşlı uzay cisimlerinden biri haline getirdi. Freese ise bu konuda şöyle söylüyor:

James Webb verilerine baktığımızda, bu cisimler hakkında birbirine rakip iki olasılık görüyoruz. Birincisi, bunların milyonlarca sıradan, öbek III yıldızı içeren galaksiler oldukları. İkincisi ise karanlık yıldızlar oldukları. Ve ister inanın ister inanmayın, bir karanlık yıldız, galaksinin tüm yıldızlarıyla rekabet edecek kadar ışığa sahiptir.

Karanlık yıldızlar teorik olarak Güneş'imizin parlaklığının on milyar katına ve kütlesinin birkaç milyon katına kadar büyüyebilir. Colgate Üniversitesi'nde Fizik ve Astronomi öğretim üyesi olan Ilie, bu konuda şunları belirtiyor:

2012'de JWUT ile süper kütleli karanlık yıldızların gözlemlenebileceğini tahmin etmiştik. Yakın zamanda yayınlanan PNAS makalemizde bahsedildiği gibi, Curtis-Lake ve diğerleri tarafından spektroskopik olarak doğrulanan dört adet kırmızıya kayan JADES cismi için JWUT verilerini incelerken üç süper kütleli karanlık yıldız adayı bulduk ve eminim yakında daha fazlasını da keşfedeceğiz.

Karanlık yıldızlar fikri, o zamanlar Santa Cruz'daki California Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Freese ve Doug Spolyar arasındaki bir dizi konuşmadan ortaya çıktı. Karanlık maddenin evrende ilk oluşan yıldızlara ne yaptığını merak etmişlerdi. Ekibe sonradan katılan, Utah Üniversitesi'nde astrofizikçi olan Paolo Gondolo'ya ulaştılar. Birkaç yıllık geliştirmeden sonra, bu teori üzerine ilk makalelerini 2008'de Physical Review Letters dergisinde yayımladılar.

Freese, Spolyar ve Gondolo birlikte bir model geliştirdi. Bu modele göre yaşlı protogalaksilerin merkezlerinde, hidrojen ve helyum gazı bulutları ile birlikte çok yoğun karanlık madde kümeleri oluşur. Gaz soğudukça çöküp beraberinde karanlık maddeyi de çeker. Yoğunluk arttıkça karanlık madde parçacıkları gitgide daha fazla ısı yayarak yok olur ve bu da gazın, sıradan bir yıldızda olduğu gibi füzyonu desteklemek için yeterince yoğun bir çekirdeğe çökmesini engeller. Bunun yerine daha fazla gaz ve karanlık madde toplamaya devam ederek sıradan yıldızlardan daha büyük, kabarık ve çok daha parlak hale gelir. Sıradan yıldızların aksine, güç kaynağı çekirdekte yoğunlaşmak yerine eşit olarak dağılır. Karanlık yıldızlar, yeterli miktarda karanlık madde ile Güneş'imizin kütlesinin birkaç milyon katına ve parlaklığının on milyar katına sahip olacak şekilde büyüyebilir.