Gelombang gravitasi dapat mengungkap materi gelap yang mengubah bintang neutron menjadi lubang hitam – Dunia Fisika

Gelombang gravitasi dapat mengungkap materi gelap yang mengubah bintang neutron menjadi lubang hitam – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 19 September 2023 10

Bintang neutron
Transformasi: bintang neutron dapat mengumpulkan materi gelap yang mengubahnya menjadi lubang hitam kecil. (Atas izin: Lab Gambar Konseptual Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA)

Sebuah tim fisikawan teoretis di India telah menunjukkan bahwa gelombang gravitasi dapat mengungkap peran materi gelap dalam mengubah bintang neutron menjadi lubang hitam.

Materi gelap adalah zat hipotetis dan tidak terlihat yang digunakan untuk menjelaskan perilaku aneh struktur berskala besar seperti galaksi dan gugus galaksi – perilaku yang tidak dapat dijelaskan hanya dengan gravitasi.

Jika memang ada, materi gelap harus berinteraksi dengan materi biasa melalui gravitasi. Namun, beberapa model memperkirakan bahwa materi gelap juga dapat berinteraksi dengan materi biasa melalui interaksi non-gravitasi yang sangat lemah.

Lemah tapi cukup

“Interaksi non-gravitasi berarti [partikel materi gelap] diharapkan memiliki semacam interaksi dengan proton dan neutron,” Sulagna Bhattacharya mengatakan Dunia Fisika. Bhattacharya, seorang mahasiswa pascasarjana di Tata Institute of Fundamental Research di Mumbai, menambahkan, “Interaksi ini mungkin sangat lemah, namun mungkin cukup untuk memungkinkan partikel materi gelap ditangkap di dalam bintang neutron”.

Bintang neutron adalah sisa inti padat dari bintang masif yang meledak sebagai supernova. Mereka sangat kecil, mungkin lebarnya belasan kilometer, tetapi massanya lebih besar dari Matahari. Inti bintang neutron sangat padat sehingga meningkatkan kemungkinan interaksi antara materi normal dan materi gelap.

Massa teoritis maksimum yang dapat dimiliki sebuah bintang neutron adalah 2.5 massa matahari, namun dalam praktiknya sebagian besar jauh lebih kecil, sekitar 1.4 massa matahari. Bintang neutron yang lebih besar dari 2.5 massa matahari akan mengalami keruntuhan gravitasi sehingga membentuk lubang hitam.

Menutup celah

Lubang hitam bermassa bintang juga dapat terbentuk langsung dari supernova (ledakan bintang besar), tetapi pemodelan teoretis menunjukkan bahwa lubang hitam seharusnya tidak ada pada massa 2–5 massa Matahari. Sampai saat ini, hal ini didukung oleh bukti observasi. Namun, mulai tahun 2015, pengamatan gelombang gravitasi dari penggabungan pasangan lubang hitam mengungkap keberadaan lubang hitam di dalam celah massa tersebut.

Sebagai contoh, GW 190814 adalah peristiwa gelombang gravitasi yang terdeteksi pada tahun 2019 yang melibatkan objek dengan massa antara 2.50–2.67 massa matahari. Peristiwa misteri lainnya adalah GW 190425, juga terdeteksi pada tahun 2019, dimana gabungan objek tersebut memiliki massa 3.4 massa matahari. Ini adalah massa total yang jauh lebih tinggi daripada sistem bintang neutron biner mana pun yang diketahui.

Sekarang Bhattacharya, atasannya Basudeb Dasgupta, Ditambah Ranjan Laha dari Institut Sains India dan Anupam Ray dari Universitas California, Berkeley, berpendapat bahwa materi gelap yang terakumulasi di dalam inti bintang neutron akan meningkatkan kepadatan inti hingga mencapai titik di mana ia akan hancur menjadi lubang hitam mini. Lubang hitam ini kemudian akan membesar dan menelan bintang neutron. Hasilnya adalah lubang hitam dengan massa lebih rendah dari perkiraan. Dan, deteksi lubang hitam bermassa rendah akan menjadi bukti menarik mengenai materi gelap.

“Eksotis secara astrofisika”

“Objek kompak ini akan menjadi eksotik secara astrofisika,” kata Bhattacharya, penulis utama makalah yang menjelaskan hipotesis ini di Physical Review Letters. Makalah mereka mengemukakan GW 190814 dan GW 190425 sebagai penggabungan yang mungkin melibatkan lubang hitam yang dibuat dengan bantuan materi gelap.

Terlepas dari apakah lubang hitam yang diubah dari bintang neutron itu ada atau tidak, Bhattacharya mengatakan bahwa pencarian lubang hitam tersebut akan memberikan “beberapa kendala signifikan pada interaksi materi gelap dengan nukleon”. Akibatnya, semakin banyak penggabungan yang diamati memungkinkan fisikawan mengevaluasi berbagai model materi gelap.

Kemungkinan lainnya adalah objek bermassa rendah yang diamati pada GW 190814 dan GW 190425 adalah lubang hitam primordial yang terbentuk segera setelah Big Bang. Namun, beberapa teori menyatakan bahwa lubang hitam purba mungkin merupakan salah satu komponen materi gelap – sehingga mempelajari penggabungan dapat memberikan lebih banyak informasi tentang sifat materi gelap.

Memang benar, keuntungan utama penggunaan gelombang gravitasi untuk mencari bukti keberadaan materi gelap adalah bahwa gelombang ini merupakan cara paling sensitif yang kita miliki untuk mendeteksi interaksi non-gravitasi samar materi gelap dengan materi normal.

Hal ini karena pengamatan gelombang gravitasi tidak tunduk pada “dasar neutrino”, yang membatasi eksperimen yang bertujuan untuk mendeteksi materi gelap secara langsung. Lantai mengacu pada fakta bahwa neutrino adalah sumber kebisingan latar belakang yang signifikan dalam detektor materi gelap seperti LUX-ZEPLIN.

“Metode yang kami sarankan dapat menyelidiki wilayah yang berada di luar jangkauan detektor terestrial karena terbatasnya paparan dan sensitivitas detektor,” kata Bhattacharya.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika