A gravitációs hullámok feltárhatják a sötét anyagot, amely a neutroncsillagokat fekete lyukakká alakítja át – Fizika világa

A gravitációs hullámok feltárhatják a sötét anyagot, amely a neutroncsillagokat fekete lyukakká alakítja át – Fizika világa

Időbélyeg: 19. szeptember 2023. 10:39

Semleges csillag
Átalakulás: a neutroncsillagok összegyűjthetik a sötét anyagot, ami kis fekete lyukakká változtatja őket. (Jóvolt: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Egy indiai elméleti fizikuscsoport kimutatta, hogy a gravitációs hullámok felfedhetik a sötét anyag szerepét a neutroncsillagok fekete lyukakká alakításában.

A sötét anyag egy hipotetikus, láthatatlan anyag, amelyet a nagyméretű struktúrák, például galaxisok és galaxishalmazok furcsa viselkedésének magyarázatára hívnak fel – amely viselkedés nem magyarázható önmagában a gravitációval.

Ha létezik, a sötét anyagnak kölcsönhatásba kell lépnie a közönséges anyaggal a gravitáció révén. Egyes modellek azonban azt jósolják, hogy a sötét anyag a közönséges anyaggal is kölcsönhatásba léphet nagyon gyenge, nem gravitációs kölcsönhatások révén.

Gyenge, de elégséges

"A nem gravitációs kölcsönhatás azt jelenti, hogy a [sötét anyag részecskéinek] valamilyen kölcsönhatásba kell lépniük protonokkal és neutronokkal." Sulagna Bhattacharya mondta Fizika Világa. Bhattacharya a Mumbai-i Tata Fundamentális Kutatási Intézet végzős hallgatója, aki hozzáteszi: „Ezek a kölcsönhatások nagyon gyengék lehetnek, de elégségesek lehetnek ahhoz, hogy a sötét anyag részecskéit befogják egy neutroncsillagba”.

A neutroncsillagok a szupernóvaként felrobbant hatalmas csillagok sűrű magmaradványai. Nagyon kicsik, átmérőjük talán egy tucat kilométer, de tömegük nagyobb, mint a Nap. A neutroncsillagok magja olyan sűrű, hogy növelheti a normál anyag és a sötét anyag közötti kölcsönhatások valószínűségét.

Egy neutroncsillag maximális elméleti tömege 2.5 naptömeg lehet, de a gyakorlatban a legtöbb sokkal kisebb, körülbelül 1.4 naptömeg. A 2.5 naptömegnél nagyobb neutroncsillagok gravitációs összeomláson esnek át és fekete lyukakat képeznek.

A szakadék bezárása

Csillagtömegű fekete lyukak közvetlenül szupernóvákból (nagy csillagok robbanásaiból) is keletkezhetnek, de az elméleti modellezés azt sugallta, hogy 2–5 naptömegnél nem létezhetnek fekete lyukak. Egészen a közelmúltig ezt megfigyelési bizonyítékok támasztották alá. 2015-től kezdődően azonban a feketelyuk-párok egyesüléséből származó gravitációs hullámok megfigyelése felfedte, hogy ebben a tömegrésben vannak fekete lyukak.

Például, GW 190814 egy 2019-ben észlelt gravitációs hullám esemény volt, amely egy 2.50–2.67 naptömegű objektumot érintett. Egy másik rejtélyes esemény volt GW 1904252019-ben is észlelték, ahol az egyesített objektum tömege 3.4 naptömeg volt. Ez lényegesen nagyobb össztömeg, mint bármely ismert kettős neutroncsillag rendszer.

Most Bhattacharya, a felügyelője Basudeb Dasgupta, Plusz Ranjan Laha az Indiai Tudományos Intézet és Anupam Ray A Kaliforniai Egyetem (Berkeley) kutatói azt javasolták, hogy a neutroncsillagok magjában felhalmozódó sötét anyag olyan mértékben megnövelné a magsűrűséget, hogy az egy miniatűr fekete lyukká omlik össze. Ez a fekete lyuk akkor megnő, és elnyeli a neutroncsillagot. Az eredmény a vártnál kisebb tömegű fekete lyuk lenne. És az ilyen kis tömegű fekete lyukak észlelése csábító bizonyíték lenne a sötét anyagra.

“Asztrofizikailag egzotikus”

"Ezek a kompakt objektumok asztrofizikailag egzotikusak lennének" - mondja Bhattacharya, aki egy tanulmány vezető szerzője, amely leírja ezt a hipotézist. Fizikai áttekintés betűk. Írásuk a GW 190814 és a GW 190425 egyesüléseket ismerteti, amelyek fekete lyukakat tartalmazhattak, amelyek sötét anyag segítségével jöttek létre.

Függetlenül attól, hogy léteznek-e neutroncsillagokból átalakított fekete lyukak, vagy sem, Bhattacharya szerint a keresésük „néhány jelentős korlátozást fog eredményezni a sötét anyag nukleonokkal való kölcsönhatásában”. Ennek eredményeként a megfigyelt egyesülések növekvő száma lehetővé teheti a fizikusok számára, hogy értékeljék a sötét anyag különböző modelljeit.

Egy másik lehetőség az, hogy a GW 190814-ben és a GW 190425-ben megfigyelt kis tömegű objektumok ősfekete lyukak, amelyek közvetlenül az Ősrobbanás után keletkeztek. Egyes elméletek azonban azt sugallják, hogy az ősfekete lyukak a sötét anyag összetevői lehetnek – így az egyesülések tanulmányozása még több információval szolgálhat a sötét anyag természetéről.

Valójában a gravitációs hullámok sötét anyagra vonatkozó bizonyítékok keresésének fő előnye az, hogy ez a legérzékenyebb eszköz a sötét anyag és a normál anyag halvány nem gravitációs kölcsönhatásának kimutatására.

Ennek az az oka, hogy a gravitációs hullámok megfigyelése nem tartozik a „neutrínó padló” alá, amely korlátozza a sötét anyag közvetlen kimutatását célzó kísérleteket. A padló arra utal, hogy a neutrínók jelentős háttérzajforrást jelentenek a sötétanyag-detektorokban, mint pl. LUX-ZEPLIN.

„Az általunk javasolt módszerrel meg lehet vizsgálni azokat a területeket, amelyek a korlátozott expozíció és az érzékelő érzékenysége miatt a földi detektorok hatókörén kívül esnek” – mondja Bhattacharya.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa