Fale grawitacyjne mogą ujawnić ciemną materię przekształcającą gwiazdy neutronowe w czarne dziury – Świat Fizyki

Fale grawitacyjne mogą ujawnić ciemną materię przekształcającą gwiazdy neutronowe w czarne dziury – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 19 września 2023 10:39

Gwiazda neutronowa
Transformacja: gwiazdy neutronowe mogą gromadzić ciemną materię, która zamienia je w małe czarne dziury. (Dzięki uprzejmości: Laboratorium obrazów koncepcyjnych NASA Goddard Space Flight Center)

Zespół fizyków teoretycznych z Indii wykazał, że fale grawitacyjne mogą ujawnić rolę, jaką ciemna materia może odegrać w przekształcaniu gwiazd neutronowych w czarne dziury.

Ciemna materia to hipotetyczna, niewidzialna substancja, którą przywołuje się w celu wyjaśnienia dziwnego zachowania wielkoskalowych struktur, takich jak galaktyki i gromady galaktyk – zachowania, którego nie można wytłumaczyć samą grawitacją.

Jeśli istnieje, ciemna materia musi oddziaływać ze zwykłą materią poprzez grawitację. Jednak niektóre modele przewidują, że ciemna materia może również oddziaływać ze zwykłą materią poprzez bardzo słabe oddziaływania niegrawitacyjne.

Słabe, ale wystarczające

„Oddziaływanie niegrawitacyjne oznacza, że ​​oczekuje się, że [cząstki ciemnej materii] będą wchodzić w jakiś rodzaj interakcji z protonami i neutronami” – Sulagna Bhattacharya powiedział Świat Fizyki. Bhattacharya jest absolwentem Instytutu Badań Podstawowych Tata w Bombaju i dodaje: „Te interakcje mogą być bardzo słabe, ale mogą być wystarczające, aby umożliwić wychwycenie cząstek ciemnej materii wewnątrz gwiazdy neutronowej”.

Gwiazdy neutronowe to gęste pozostałości jądra masywnych gwiazd, które eksplodowały jako supernowe. Są bardzo małe, mają może kilkanaście kilometrów średnicy, ale mają masę większą niż Słońce. Jądro gwiazdy neutronowej jest tak gęste, że może zwiększyć prawdopodobieństwo interakcji między normalną materią a ciemną materią.

Maksymalna teoretyczna masa, jaką może mieć gwiazda neutronowa, wynosi 2.5 masy Słońca, ale w praktyce większość z nich jest znacznie mniejsza, około 1.4 masy Słońca. Gwiazdy neutronowe o masie większej niż 2.5 masy Słońca ulegną zapadnięciu grawitacyjnemu, tworząc czarne dziury.

Zamykanie luki

Czarne dziury o masach gwiazdowych mogą również powstawać bezpośrednio w wyniku supernowych (eksplozji dużych gwiazd), ale modelowanie teoretyczne sugeruje, że czarne dziury nie powinny istnieć przy masach 2–5 mas Słońca. Do niedawna potwierdzały to dowody obserwacyjne. Jednak począwszy od 2015 roku obserwacje fal grawitacyjnych powstałych w wyniku łączenia się par czarnych dziur ujawniły istnienie czarnych dziur w obrębie tej przerwy masowej.

Na przykład, GW 190814 było zdarzeniem związanym z falą grawitacyjną wykrytym w 2019 r., które dotyczyło obiektu o masach od 2.50 do 2.67 mas Słońca. Było jeszcze jedno tajemnicze wydarzenie GW 190425, również wykryty w 2019 r., w którym połączony obiekt miał masę 3.4 masy Słońca. Jest to znacznie większa masa całkowita niż jakikolwiek znany układ podwójny gwiazd neutronowych.

Teraz Bhattacharya, jej przełożony Basudeba Dasgupty, Plus Ranjan Laha Indyjskiego Instytutu Nauki i Anupam Ray z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zasugerowali, że ciemna materia gromadząca się w jądrze gwiazdy neutronowej zwiększy gęstość jądra do tego stopnia, że ​​zapadnie się ona w miniaturową czarną dziurę. Następnie ta czarna dziura urosłaby i pochłonęła gwiazdę neutronową. Rezultatem byłaby czarna dziura o masie mniejszej niż oczekiwano. A wykrycie takich czarnych dziur o małej masie byłoby kuszącym dowodem na istnienie ciemnej materii.

„Astrofizycznie egzotyczny”

„Te zwarte obiekty byłyby astrofizycznie egzotyczne” – mówi Bhattacharya, główny autor artykułu opisującego tę hipotezę w Physical Review Letters. Ich artykuł przedstawia GW 190814 i GW 190425 jako fuzje, w których mogły uczestniczyć czarne dziury powstałe przy pomocy ciemnej materii.

Niezależnie od tego, czy czarne dziury przekształcone z gwiazd neutronowych istnieją, czy nie, Bhattacharya twierdzi, że ich poszukiwanie zapewni „pewne znaczące ograniczenia w zakresie interakcji ciemnej materii z nukleonami”. W rezultacie rosnąca liczba obserwowanych fuzji może umożliwić fizykom ocenę różnych modeli ciemnej materii.

Inną możliwością jest to, że obiekty o małej masie obserwowane w GW 190814 i GW 190425 to pierwotne czarne dziury, które powstały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. Jednak niektóre teorie sugerują, że pierwotne czarne dziury mogą być składnikiem ciemnej materii, zatem badanie fuzji może dostarczyć jeszcze więcej informacji na temat natury ciemnej materii.

Rzeczywiście, kluczową zaletą wykorzystania fal grawitacyjnych do poszukiwania dowodów na ciemną materię jest to, że jest to najczulszy sposób, jaki mamy do wykrywania słabych, niegrawitacyjnych interakcji ciemnej materii z normalną materią.

Dzieje się tak, ponieważ obserwacja fal grawitacyjnych nie podlega „podłodze neutrin”, co ogranicza eksperymenty mające na celu bezpośrednie wykrycie ciemnej materii. Podłoga odnosi się do faktu, że neutrina są znaczącym źródłem szumu tła w detektorach ciemnej materii, takich jak LUX-ZEPLIN.

„Zaproponowana przez nas metoda pozwala badać obszary, które są poza zasięgiem tych naziemnych detektorów ze względu na ograniczoną ekspozycję i czułość detektora” – mówi Bhattacharya.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki