Himmelska objekt som kallas mörka dvärgar kan gömma sig i centrum av vår galax och kan ge viktiga ledtrådar för att avslöja naturen hos ett av de mest mystiska och grundläggande fenomenen i modern kosmologi: mörk materia.
En artikel publicerad i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics av ett forskarteam baserat i Storbritannien och Hawaii beskriver dessa objekt för första gången och föreslår hur man kan verifiera deras existens med hjälp av dagens observationsverktyg, såsom James Webb Space Telescope. Artikeln har titeln ”Dark Dwarfs: Dark Matter-Powered Sub-Stellar Objects Awaiting Discovery at the Galactic Center” (Mörka dvärgar: mörk materia-drivna substellära objekt som väntar på att upptäckas i galaxens centrum).
Det brittisk-amerikanska teamet bakom studien döpte dem till mörka dvärgar. Inte för att de är mörka kroppar – tvärtom – utan på grund av deras speciella koppling till mörk materia, ett av de mest centrala ämnena inom dagens kosmologi och astrofysikforskning.
”Vi tror att 25 % av universum består av en typ av materia som inte avger ljus, vilket gör den osynlig för våra ögon och teleskop. Vi kan bara upptäcka den genom dess gravitationella effekter. Det är därför vi kallar den mörk materia”, förklarar Jeremy Sakstein, professor i fysik vid University of Hawai’i och en av studiens författare.
Det vi vet idag om mörk materia är att den existerar och hur den beter sig – men ännu inte vad den egentligen är. Under de senaste 50 åren har flera hypoteser föreslagits, men ingen har ännu samlat tillräckligt med experimentella bevis för att vinna gehör. Studier som den av Sakstein och hans kollegor är viktiga eftersom de erbjuder konkreta verktyg för att bryta dödläget.
Bland de mest kända kandidaterna för mörk materia finns svagt växelverkande massiva partiklar (WIMP), mycket massiva partiklar som växelverkar mycket svagt med vanlig materia: de passerar genom saker obemärkt, avger inget ljus och reagerar inte på elektromagnetiska krafter (så de reflekterar inte ljus och förblir osynliga) och avslöjar sig endast genom sina gravitationella effekter. Denna typ av mörk materia skulle vara nödvändig för att mörka dvärgar ska kunna existera.
”Mörk materia interagerar gravitationellt, så den kan fångas upp av stjärnor och ackumuleras inuti dem. Om det händer kan den också interagera med sig själv och förintas, vilket frigör energi som värmer upp stjärnan”, förklarar Sakstein.
Vanliga stjärnor – som vår sol – lyser eftersom kärnfusion sker i deras kärnor, vilket genererar stora mängder värme och energi. Fusion sker när en stjärnas massa är tillräckligt stor för att gravitationskrafterna pressar samman materian mot centrum med sådan intensitet att de utlöser reaktioner mellan atomkärnorna. Denna process frigör en enorm mängd energi, som vi ser som ljus. Mörka dvärgar avger också ljus – men inte på grund av kärnfusion.
”Mörka dvärgar är objekt med mycket låg massa, cirka 8 % av solens massa”, förklarar Sakstein. En så liten massa räcker inte för att utlösa fusionsreaktioner.
Av denna anledning avger sådana objekt – även om de är mycket vanliga i universum – vanligtvis bara ett svagt ljus (på grund av den energi som produceras av deras relativt små gravitationskontraktioner) och är kända för forskare som bruna dvärgar.
Men om bruna dvärgar befinner sig i områden där det finns särskilt mycket mörk materia – till exempel i centrum av vår galax – kan de förvandlas till något annat.
”Dessa objekt samlar mörk materia som hjälper dem att bli mörka dvärgar. Ju mer mörk materia det finns i omgivningen, desto mer kan de fånga upp”, förklarar Sakstein. ”Och ju mer mörk materia som hamnar inuti stjärnan, desto mer energi produceras genom dess förintelse.”
Men allt detta bygger på en specifik typ av mörk materia. ”För att mörka dvärgar ska kunna existera måste mörk materia bestå av WIMP:ar, eller andra tunga partiklar som interagerar så starkt med sig själva att de producerar synlig materia”, säger Sakstein.
Andra kandidater som har föreslagits för att förklara mörk materia – såsom axioner, fuzzy ultralätta partiklar eller sterila neutriner – är alla för lätta för att producera den förväntade effekten i dessa objekt.
Endast massiva partiklar, som kan interagera med varandra och förintas till synlig energi, kan driva en mörk dvärg.
Hela denna hypotes skulle dock ha föga värde om det inte fanns ett konkret sätt att identifiera en mörk dvärg. Av denna anledning föreslår Sakstein och hans kollegor en distinkt markör. ”Det fanns några markörer, men vi föreslog litium-7 eftersom det verkligen skulle vara en unik effekt”, förklarar forskaren.
Litium-7 brinner mycket lätt och förbrukas snabbt i vanliga stjärnor. ”Så om man kunde hitta ett objekt som såg ut som en mörk dvärg, skulle man kunna leta efter förekomsten av detta litium, eftersom det inte skulle finnas där om det var en brun dvärg eller ett liknande objekt.”
Verktyg som James Webb Space Telescope kanske redan kan upptäcka extremt kalla himmelska objekt som mörka dvärgar. Men enligt Sakstein finns det en annan möjlighet. ”Det andra man kan göra är att titta på en hel population av objekt och statistiskt undersöka om den bättre kan beskrivas med en subpopulation av mörka dvärgar eller inte.”
Om vi under de kommande åren lyckas identifiera en eller flera mörka dvärgar, hur starkt skulle det vara som stöd för hypotesen att mörk materia består av WIMP:ar?
”Rimligt starkt. Med lätta kandidater för mörk materia, något som axion, tror jag inte att man skulle kunna få något som en mörk dvärg. De ackumuleras inte inuti stjärnor. Om vi lyckas hitta en mörk dvärg skulle det ge övertygande bevis för att mörk materia är tung och interagerar starkt med sig själv, men bara svagt med standardmodellen. Detta inkluderar klasser av WIMP, men det skulle också inkludera några andra mer exotiska modeller”, avslutar Sakstein.
Att observera en mörk dvärg skulle inte definitivt säga att mörk materia är en WIMP, men det skulle innebära att det antingen är en WIMP eller något som i alla avseenden beter sig som en WIMP.
Mer information: Dark Dwarfs: Dark Matter-Powered Sub-Stellar Objects Awaiting Discovery at the Galactic Center, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2025). På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.00822
