Gravitasjonsbølger kan avsløre mørk materie som forvandler nøytronstjerner til sorte hull – Physics World

Gravitasjonsbølger kan avsløre mørk materie som forvandler nøytronstjerner til sorte hull – Physics World

Tidsstempel: 19. september 2023 10

Neutronstjerne
Transformasjon: nøytronstjerner kan samle mørk materie som gjør dem til små sorte hull.(Med tillatelse: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Et team av teoretiske fysikere i India har vist at gravitasjonsbølger kan avsløre rollen som mørk materie kan spille for å transformere nøytronstjerner til sorte hull.

Mørk materie er et hypotetisk, usynlig stoff som påkalles for å forklare den merkelige oppførselen til storskalastrukturer som galakser og galaksehoper – oppførsel som ikke kan forklares av tyngdekraften alene.

Hvis den eksisterer, må mørk materie samhandle med vanlig materie via tyngdekraften. Noen modeller forutsier imidlertid at mørk materie også kan samhandle med vanlig materie gjennom svært svake ikke-gravitasjonsinteraksjoner.

Svak men tilstrekkelig

"Ikke-gravitasjonsinteraksjon betyr at [mørk materiepartikler] forventes å ha en slags interaksjon med protoner og nøytroner," Sulagna Bhattacharya fortalte Fysikkens verden. Bhattacharya er en doktorgradsstudent ved Tata Institute of Fundamental Research i Mumbai, som legger til: "Disse interaksjonene kan være svært svake, men de kan være tilstrekkelige nok til å tillate at partiklene av mørk materie blir fanget inne i en nøytronstjerne".

Nøytronstjerner er de tette kjernerestene av massive stjerner som har eksplodert som supernovaer. De er veldig små, kanskje et dusin kilometer på tvers, men med masse større enn solen. Kjernen til en nøytronstjerne er så tett at den kan øke sannsynligheten for interaksjoner mellom normal materie og mørk materie.

Den maksimale teoretiske massen som en nøytronstjerne kan ha er 2.5 solmasser, men i praksis er de fleste mye mindre, rundt 1.4 solmasser. Nøytronstjerner som er større enn 2.5 solmasser vil gjennomgå gravitasjonskollaps for å danne sorte hull.

Lukker gapet

Stjernemasse sorte hull kan også dannes direkte fra supernovaer (eksplosjoner av store stjerner), men teoretisk modellering har antydet at sorte hull ikke bør eksistere ved 2–5 solmasser. Inntil nylig ble dette støttet av observasjonsbevis. Fra og med 2015 avslørte imidlertid observasjoner av gravitasjonsbølger fra sammenslåingen av sorte hull-par eksistensen av sorte hull innenfor dette massegapet.

For eksempel, GW 190814 var en gravitasjonsbølgehendelse oppdaget i 2019 som involverte et objekt med mellom 2.50–2.67 solmasser. En annen mystisk hendelse var GW 190425, også oppdaget i 2019, der det kombinerte objektet hadde en masse på 3.4 solmasser. Dette er en vesentlig høyere totalmasse enn noe kjent binært nøytronstjernesystem.

Nå Bhattacharya, hennes veileder Basudeb Dasgupta, Pluss Ranjan Laha fra Indian Institute of Science og Anupam Ray fra University of California, Berkeley, har antydet at mørk materie som samler seg i kjernen til en nøytronstjerne vil øke kjernetettheten til det punktet at den kollapser til et svart hull i miniatyr. Dette sorte hullet ville da vokse og oppsluke nøytronstjernen. Resultatet ville være et svart hull med en lavere masse enn forventet. Og oppdagelsen av slike lavmasse sorte hull ville være fristende bevis for mørk materie.

"Astrofysisk eksotisk"

"Disse kompakte objektene ville være astrofysisk eksotiske," sier Bhattacharya, som er hovedforfatter av en artikkel som beskriver denne hypotesen i Physical Review Letters. Papiret deres presenterer GW 190814 og GW 190425 som fusjoner som kunne ha involvert sorte hull som ble laget ved hjelp av mørk materie.

Hvorvidt sorte hull konvertert fra nøytronstjerner eksisterer eller ikke, sier Bhattacharya at å søke etter dem vil gi «noen betydelige begrensninger for mørk materie-interaksjoner med nukleoner». Som et resultat kan det økende antallet fusjoner som blir observert tillate fysikere å evaluere forskjellige modeller av mørk materie.

En annen mulighet er at lavmasseobjektene som ble observert i GW 190814 og GW 190425 er primordiale sorte hull som ble dannet i umiddelbar etterdønning av Big Bang. Noen teorier antyder imidlertid at primordiale sorte hull kan være en del av mørk materie - så å studere fusjoner kan gi enda mer informasjon om naturen til mørk materie.

Den viktigste fordelen med å bruke gravitasjonsbølger for å søke etter bevis for mørk materie er at det er det mest følsomme middelet vi har for å oppdage de svake ikke-gravitasjonsinteraksjonene mellom mørk materie og normal materie.

Dette er fordi observasjon av gravitasjonsbølger ikke er underlagt "nøytrinogulvet", som begrenser eksperimenter som tar sikte på å direkte oppdage mørk materie. Gulvet viser til at nøytrinoer er en betydelig kilde til bakgrunnsstøy i mørkmateriedetektorer som f.eks. LUX-ZEPLIN.

"Metoden foreslått av oss kan undersøke områdene som er utenfor rekkevidden av disse terrestriske detektorene på grunn av begrenset eksponering og detektorfølsomhet," sier Bhattacharya.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden