No Universo primitivo, centenas de milhões de anos após o Big Bang, as primeiras estrelas emergiram de vastas e intocadas nuvens de hidrogénio e hélio. Observações recentes do Telescópio Espacial James Webb (JWST) sugerem que algumas destas primeiras estrelas podem ter sido diferentes das estrelas familiares (alimentadas por fusão) que os astrónomos estudaram durante séculos. Um novo estudo liderado por Cosmin Ilie da Universidade Colgate com Shafaat Mahmud (Colgate ’26), Jillian Paulin (Colgate ’23) da Universidade da Pensilvânia e Katherine Freese da Universidade do Texas em Austin descobriu quatro objetos extremamente distantes cuja aparência e características espectrais correspondem às expectativas dos cientistas para estrelas fracas supermassivas.
“Estrelas escuras supermassivas são nuvens extremamente brilhantes, massivas, mas fofas, compostas principalmente de hidrogênio e hélio, que possuem vestígios de matéria escura autoaniquiladora dentro delas que resistem ao colapso gravitacional”, disse Ely. “Estrelas escuras supermassivas e os seus remanescentes de buracos negros podem ser a chave para resolver dois enigmas astronômicos recentes: uma galáxia extremamente brilhante, mas compacta e muito distante observada pelo JWST que é maior do que o esperado, e ii. A origem dos buracos negros supermassivos que alimentam os quasares mais distantes já observados.
Katherine Freese, junto com Doug Spolyar e Paolo Gondolo, propuseram pela primeira vez a ideia para Dark Star e a publicaram em Cartas de revisão física 2008. O estudo descreve como as estrelas escuras no universo primitivo cresceram e eventualmente colapsaram em buracos negros supermassivos. Em 2010, Freese, Ilie, Spolyar e seus colaboradores publicaram O Jornal Astrofísicodescreve dois processos possíveis que poderiam permitir que estrelas escuras atingissem tamanhos enormes e prevê que poderiam semear buracos negros nos primeiros quasares conhecidos.
Pensa-se que a matéria escura constitui cerca de um quarto do universo, mas a sua natureza continua a ser um dos maiores mistérios da ciência. Os pesquisadores acreditam que ele é composto por uma partícula elementar ainda não descoberta. Décadas de experimentos têm procurado essas partículas, mas até agora sem sucesso. Uma possibilidade importante envolve partículas massivas de interação fraca (WIMPs). Quando duas partículas de interação fraca colidem, espera-se que elas se aniquilem, liberando energia que pode aquecer as nuvens de hidrogênio em colapso e fazer com que brilhem como estrelas brilhantes e escuras.
As condições algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, numa região densa chamada halo de matéria escura, parecem ser ideais para a formação de tais estrelas. Estas regiões são também onde se espera que a primeira geração de estrelas normais apareça.
“Descobrimos pela primeira vez no JWST candidatos a estrelas escuras espectroscopicamente supermassivas, incluindo os primeiros objetos no redshift 14, apenas 300 milhas após o Big Bang,” disse Freese, Jeff e Gail Kodosky Endowed Chair in Physics e diretor do Instituto Weinberg e do Centro de Cosmologia e Física de Astropartículas do Texas na Universidade do Texas em Austin. “Estas primeiras estrelas escuras, que pesavam um milhão de vezes mais que o Sol, não são apenas importantes para a nossa compreensão da matéria escura, mas também foram as precursoras dos primeiros buracos negros supermassivos vistos no JWST, que de outra forma são difíceis de explicar.”
em 2023 Anais da Academia Nacional de Ciências No estudo de Ilie, Paulin e Freese, as primeiras candidatas a estrelas escuras supermassivas (JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 e JADES-GS-z11-0) foram identificadas usando dados fotométricos do instrumento NIRCam do JWST. Desde então, os espectros do instrumento NIRSpec do JWST estão disponíveis para estes e outros objetos extremamente distantes. A equipe, que agora também inclui Shafaat Mahmud, analisou os espectros e a morfologia dos quatro objetos mais distantes observados até o momento (incluindo dois candidatos no estudo de 2023): JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 e JADES-GS-z11-0, e descobriu que cada um deles era consistente com a explicação da escuridão supermassiva. estrelas.
JADES-GS-z14-1 ainda não foi resolvido, o que significa que é consistente com uma fonte pontual, como uma estrela supermassiva muito distante. As outras três são muito compactas e podem ser modeladas pelas estrelas escuras supermassivas (isto é, os gases H e He ionizados que rodeiam a estrela) que alimentam a nebulosa. Cada um dos quatro objetos analisados neste estudo também é consistente com uma interpretação de galáxia, conforme mostrado na literatura. As estrelas escuras têm uma arma fumegante, a assinatura de absorção de 1640 Angstrom, porque as suas atmosferas contêm grandes quantidades de hélio individualmente ionizado. Na verdade, um dos quatro objetos analisados apresentava sinais dessa característica.
“Um dos momentos mais emocionantes deste estudo foi a descoberta de uma queda de absorção em 1640 Angstroms no espectro de JADES-GS-z14-0. Embora esta característica tenha uma relação sinal-ruído relativamente baixa (S/N~2), esta é a primeira vez que descobrimos evidências potencialmente conclusivas de uma estrela escura. Isto é notável por si só,” disse Ilie.
Os astrónomos utilizaram o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para medir o espectro do mesmo objeto, revelando a presença de oxigénio através de linhas de emissão nebulares. Se ambas as assinaturas espectrais forem confirmadas, dizem os investigadores, é pouco provável que o objeto seja uma estrela escura isolada, mas sim uma estrela escura inserida num ambiente rico em metais. Isto pode ser o resultado de fusões, onde halos de matéria escura nos quais residem estrelas escuras se fundem com galáxias. Alternativamente, estrelas escuras e estrelas regulares poderiam ter-se formado no mesmo halo principal, o que os investigadores agora percebem ser possível.
A identificação de estrelas escuras supermassivas abrirá a possibilidade de compreensão das partículas de matéria escura com base nas propriedades observadas destes objetos e estabelecerá um novo campo da astronomia: o estudo de estrelas movidas pela matéria escura. publicado desta vez Anais da Academia Nacional de Ciências A pesquisa é um passo crucial nessa direção.
Agradecimentos de financiamento: Esta pesquisa foi generosamente apoiada pelo Conselho de Pesquisa da Universidade Colgate, pelo Instituto Peake de Ciência Interdisciplinar, pelo Programa de Física de Altas Energias do Departamento de Energia dos EUA, pelo Conselho de Pesquisa Sueco, pelo LSST Discovery Consortium, pela Fundação Brinson, pela Fundação WoodNext e pela Foundation for Science Advancement Research Corporation.
