Gravitatsioonilained võivad paljastada tumeaine, mis muudab neutronitähed mustadeks aukudeks – Physics World

India teoreetiliste füüsikute meeskond on näidanud, et gravitatsioonilained võivad paljastada rolli, mida tumeaine võib mängida neutrontähtede muutmisel mustadeks aukudeks.

Tumeaine on hüpoteetiline, nähtamatu aine, mille abil selgitatakse suurte struktuuride, nagu galaktikad ja galaktikaparved, kummalist käitumist – käitumist, mida ei saa seletada ainult gravitatsiooniga.

Kui see on olemas, peab tumeaine gravitatsiooni kaudu suhtlema tavalise ainega. Mõned mudelid ennustavad aga, et tumeaine võib väga nõrkade mittegravitatsiooniliste interaktsioonide kaudu suhelda ka tavaainega.

Nõrk, kuid piisav

"Mittegravitatsiooniline interaktsioon tähendab, et [tumeaine osakestel] on eeldatavasti mingisugune interaktsioon prootonite ja neutronitega," Sulagna Bhattacharya ütles Füüsika maailm. Bhattacharya on Mumbais asuva Tata Fundamentaaluuringute Instituudi magistrant, kes lisab: "Need koostoimed võivad olla väga nõrgad, kuid need võivad olla piisavad, et tumeaine osakesed saaksid neutrontähe sisse kinni jääda."

Neutrontähed on supernoovana plahvatanud massiivsete tähtede tihedad tuumajäänused. Need on väga väikesed, võib-olla tosina kilomeetri läbimõõduga, kuid nende mass on suurem kui Päike. Neutrontähe tuum on nii tihe, et see võib suurendada tavaaine ja tumeaine vastastikmõju tõenäosust.

Maksimaalne teoreetiline mass, mis neutrontähel võib olla, on 2.5 Päikese massi, kuid praktikas on enamik neist palju väiksemad, umbes 1.4 Päikese massi. Neutrontähed, mille Päikese mass on üle 2.5, kukuvad läbi gravitatsioonilise kollapsi ja moodustavad mustad augud.

Lõhe lõpus

Tähemassiga mustad augud võivad tekkida ka otse supernoovadest (suurte tähtede plahvatused), kuid teoreetiline modelleerimine on näidanud, et 2–5 Päikese massi juures ei tohiks musti auke eksisteerida. Kuni viimase ajani toetasid seda vaatluslikud tõendid. Kuid alates 2015. aastast näitasid mustade aukude paaride liitumisel tekkinud gravitatsioonilainete vaatlused mustade aukude olemasolu selles massivahes.

Näiteks GW 190814 oli 2019. aastal tuvastatud gravitatsioonilaine sündmus, mis hõlmas objekti, mille päikesemass oli vahemikus 2.50–2.67. Teine müstiline sündmus oli GW 190425, mis tuvastati ka 2019. aastal, kus kombineeritud objekti mass oli 3.4 päikesemassi. See on oluliselt suurem kogumass kui ükski teadaolev kaksikneutrontähtede süsteem.

Nüüd Bhattacharya, tema juhendaja Basudeb DasguptaPluss Ranjan Laha India teadusinstituudi ja Anupam Ray California Berkeley ülikooli teadlased on väitnud, et neutrontähe tuumas akumuleeruv tumeaine suurendab tuuma tihedust nii palju, et see variseb kokku miniatuurseks mustaks auguks. See must auk kasvaks seejärel ja neelaks neutrontähe. Tulemuseks oleks oodatust väiksema massiga must auk. Ja selliste väikese massiga mustade aukude avastamine oleks ahvatlev tõend tumeaine kohta.

“Astrofüüsiliselt eksootiline”

"Need kompaktsed objektid oleksid astrofüüsiliselt eksootilised," ütleb Bhattacharya, kes on seda hüpoteesi kirjeldava artikli juhtiv autor. Physical Review Letters. Nende paberis tuuakse välja GW 190814 ja GW 190425 kui ühinemised, mis võisid hõlmata tumeaine abil tehtud musti auke.

Olenemata sellest, kas neutrontähtedest muundatud mustad augud on olemas või mitte, Bhattacharya ütleb, et nende otsimine toob kaasa "mõned olulised piirangud tumeaine interaktsioonidele nukleonidega". Selle tulemusena võib täheldatud ühinemiste arv võimaldada füüsikutel hinnata erinevaid tumeaine mudeleid.

JWST võis näha tumeaine jõul töötavaid tähti  

Teine võimalus on, et GW 190814 ja GW 190425 puhul täheldatud väikese massiga objektid on ürgsed mustad augud, mis tekkisid vahetult pärast Suurt Pauku. Mõned teooriad viitavad aga sellele, et ürgsed mustad augud võivad olla tumeaine koostisosad – seega võib ühinemiste uurimine anda veelgi rohkem teavet tumeaine olemuse kohta.

Tõepoolest, gravitatsioonilainete kasutamise peamine eelis tumeaine kohta tõendite otsimisel on see, et see on kõige tundlikum vahend, mis meil on tumeaine nõrga mittegravitatsioonilise interaktsiooni tuvastamiseks normaalse ainega.

Seda seetõttu, et gravitatsioonilainete vaatlemine ei allu "neutriino põrandale", mis piirab katseid, mille eesmärk on tumeaine otsene tuvastamine. Põrand viitab asjaolule, et neutriinod on oluline taustmüra allikas tumeaine detektorites, näiteks LUX-ZEPLIN.

"Meie pakutud meetod võib sondeerida piirkondi, mis jäävad nende maapealsete detektorite kättesaamatusse piiratud kokkupuute ja detektori tundlikkuse tõttu," ütleb Bhattacharya.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-could-reveal-dark-matter-transforming-neutron-stars-into-black-holes/