Mörk materia kan göra vår galax innersta stjärnor odödliga

by Albert
Den nya populationen av stjärnor i den mörka huvudsekvensen (överst) på Hertzsprung-Russell-diagrammet som hittades i denna artikel jämfört med standardhuvudsekvensen (nederst) för stjärnutveckling. Kredit: arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2405.12267

Stjärnor nära mitten av vår galax beter sig lite konstigt. Mörk materia kan vara förklaringen.

Ett team av vetenskapliga detektiver (så att säga) har upptäckt en potentiell ny klass av stjärnor som kan finnas inom ett ljusår från Vintergatans centrum och som kan fungera enligt en ovanlig mekanism: förintelse av mörk materia. Denna process skulle skapa ett tryck utåt på stjärnorna som inte kommer från vätefusion, vilket hindrar dem från att kollapsa i gravitationen – och gör dem i princip odödliga, eftersom deras ungdom ständigt förnyas. Resultaten publiceras på arXiv preprint-servern.

Sammantaget skulle de stjärnor som drivs av mörk materia befinna sig i en ny region i ett sedan länge etablerat diagram som klassificerar stjärnor efter deras temperatur och ljusstyrka, vilket placerar dem långt från den så kallade huvudsekvensen där de allra flesta stjärnor existerar.

Att observera vårt galaktiska centrum, som galaxens stjärnor roterar runt, är ganska svårt eftersom området är extremt ljusstarkt. I centrum finns ett supermassivt svart hål, Sagittarius A*, med en massa som är fyra miljoner gånger större än solens. Det är en ljusstark källa till radiovågor och avbildades 2022. Stjärnor nära Sgr A* kretsar runt hålet i hastigheter på flera tusen kilometer per sekund (jämfört med solens omloppshastighet på 240 km/s).

Dessa nära inre stjärnor, som kallas S-klusterstjärnor, är mycket förbryllande, med egenskaper som inte liknar några andra i Vintergatan. Deras ursprung är okänt, eftersom miljön inom cirka tre ljusår från centrum anses vara fientlig mot stjärnbildning. De verkar vara mycket yngre än vad man skulle förvänta sig om de hade rört sig inåt från någon annan plats. Det mest mystiska av allt är att de ser ovanligt unga ut, med färre äldre stjärnor i grannskapet än väntat, och oväntat nog verkar det finnas många tunga stjärnor.

Stjärnor är kärnugnar som genererar värme genom att bränna väte via kärnfusion. Värmestrålningen från denna reaktion, liksom den termodynamiska konvektionen i stjärnplasman, utövar en utåtriktad kraft på stjärnans beståndsdelar – främst väte och helium. Denna kraft balanseras av den inåtgående kraften från självgravitation.

Hertzsprung-Russell-diagrammet (HR) klassificerar stjärnor genom att plotta deras ljusstyrka mot den effektiva temperaturen på deras yta. Med undantag för vita dvärgar och röda jättar går ”huvudsekvensen” i detta diagram från övre vänster till nedre höger, och de flesta stjärnor faller på denna kurva. (Solen hamnar nära mitten, eftersom deras luminositeter är utritade som deras förhållande till solens). Stjärnor på olika platser i sekvensen motsvarar stjärnor med olika massor och åldrar.

Men det finns också mörk materia i galaxen. Dess närvaro har antytts genom observationer som visar att det inte finns tillräckligt med vanlig materia för att förklara de högre rotationshastigheterna än väntat hos stjärnorna runt galaxens centrum.

Den mörka materiens densitet är högst nära centrum och avtar med avståndet från centrum. Det är rimligt att förvänta sig att den skulle införlivas i stjärnor nära centrum, där den mörka materian är som tätast. Om så är fallet skulle annihilation av mörk materia – partiklar och antipartiklar av mörk materia som kolliderar och producerar fotoner, elektroner etc. – utöva ett extra tryck utåt i en stjärna och till och med kunna dominera över kärnfusion.

Ett forskarlag från Stockholm och Stanford har funnit att om man införlivar kraften från mörk materia i dynamiken hos de innersta stjärnorna – de som befinner sig inom cirka ett tredjedels ljusår från centrum (motsvarande cirka 8% av avståndet till solens närmaste stjärna) – så löser man många av de kända paradoxerna.

För att införliva förintelse av mörk materia använde gruppen relativt standardiserade parametrar för stjärnbildning under Vintergatans evolutionära förlopp och mörk materia-partiklar som bara var något mer massiva än protonen. Med hjälp av en datormodell för stjärnutveckling antog de att stjärnor migrerar på huvudsekvensen mot Galaktiska centret, då de började injicera mörk materiaenergi i en stjärnas sammansättning. Stjärnan utvecklades sedan tills den nådde den röda jättegrenen i HR-diagrammet, eller tills den nådde en ålder på 10 miljarder år, vilket är Vintergatans livstid.

De beräknade stjärnpopulationer utan och med närvaro av mörk materia. Med mörk materia upplevde mer massiva stjärnor en lägre densitet av mörk materia, och väte i deras kärna smälte långsammare och deras utveckling saktades ned. Men stjärnorna i en region med högre densitet av mörk materia förändrades avsevärt – de upprätthöll jämvikten genom förbränning av mörk materia med mindre fusion eller ingen fusion, vilket ledde till en ny stjärnpopulation i en HR-region ovanför huvudserien.

”Våra simuleringar visar att stjärnor kan överleva enbart med mörk materia som bränsle”, säger huvudförfattaren Isabelle John från Stockholms universitet, ”och eftersom det finns en extremt stor mängd mörk materia nära galaxens centrum blir dessa stjärnor odödliga”, de förblir evigt unga och upptar en ny, distinkt, observerbar region i HR-diagrammet.

Deras modell för mörk materia kan kanske förklara fler av de kända mysterierna. ”För lättare stjärnor ser vi i våra simuleringar att de blir väldigt uppblåsta och kanske till och med förlorar delar av sina yttre lager”, säger John. Hon konstaterar att ”något liknande kan observeras i Galaxens centrum: de så kallade G-objekten, som kan vara stjärnliknande men med ett gasmoln runt sig.”

Det finns ett begränsat antal enskilda stjärnor som är kända för att existera så nära Galaktiska centret, eftersom regionen är extremt ljusstark. Kommande 30-metersteleskop kommer att kunna se mycket bättre in i regionen, vilket kommer att göra det möjligt för forskare att bättre förstå populationen av dess stjärnor och verifiera eller utesluta den mörka huvudsekvensen.

Ytterligare information: Isabelle John et al, Dark Branches of Immortal Stars at the Galactic Center, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2405.12267

Related Articles

Leave a Comment