Undele gravitaționale ar putea dezvălui materia întunecată care transformă stelele neutronice în găuri negre – Physics World

Undele gravitaționale ar putea dezvălui materia întunecată care transformă stelele neutronice în găuri negre – Physics World

Marca temporală: 19 septembrie 2023, ora 10:39

Steaua de neutroni
Transformare: stelele cu neutroni ar putea aduna materie întunecată care le transformă în mici găuri negre. (Cu amabilitatea: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

O echipă de fizicieni teoreticieni din India a arătat că undele gravitaționale ar putea dezvălui rolul pe care l-ar putea juca materia întunecată în transformarea stelelor neutronice în găuri negre.

Materia întunecată este o substanță ipotetică, invizibilă, invocată pentru a explica comportamentul curios al structurilor la scară mare, cum ar fi galaxiile și grupurile de galaxii - comportament care nu poate fi explicat numai prin gravitație.

Dacă există, materia întunecată trebuie să interacționeze cu materia obișnuită prin gravitație. Cu toate acestea, unele modele prevăd că materia întunecată ar putea interacționa și cu materia obișnuită prin interacțiuni negravitaționale foarte slabe.

Slab dar suficient

„Interacțiunea non-gravitațională înseamnă că [particulele de materie întunecată] se așteaptă să aibă un fel de interacțiune cu protoni și neutroni.” Sulagna Bhattacharya a spus Lumea fizicii. Bhattacharya este un student absolvent la Institutul de Cercetare Fundamentală Tata din Mumbai, care adaugă: „Aceste interacțiuni pot fi foarte slabe, dar pot fi suficient de suficiente pentru a permite particulelor de materie întunecată să fie captate în interiorul unei stele neutronice”.

Stelele neutronice sunt rămășițele dense ale stelelor masive care au explodat ca supernove. Sunt foarte mici, poate o duzină de kilometri în diametru, dar cu mase mai mari decât Soarele. Miezul unei stele neutronice este atât de dens încât ar putea crește probabilitatea interacțiunilor dintre materia normală și materia întunecată.

Masa maximă teoretică pe care o poate avea o stea neutronică este de 2.5 mase solare, dar în practică majoritatea sunt mult mai mici, în jur de 1.4 mase solare. Stelele neutronice care au mai mult de 2.5 mase solare vor suferi colaps gravitațional pentru a forma găuri negre.

Închiderea spațiului

Găurile negre cu masă stelară se pot forma și direct din supernove (explozii de stele mari), dar modelarea teoretică a sugerat că găurile negre nu ar trebui să existe la 2-5 mase solare. Până de curând, acest lucru a fost susținut de dovezi observaționale. Cu toate acestea, începând cu 2015, observațiile undelor gravitaționale din fuziunile perechilor de găuri negre au dezvăluit existența găurilor negre în acest decalaj de masă.

De exemplu, GW 190814 a fost un eveniment cu undă gravitațională detectat în 2019, care a implicat un obiect cu între 2.50-2.67 mase solare. Un alt eveniment misterios a fost GW 190425, detectat și în 2019, în care obiectul combinat avea o masă de 3.4 mase solare. Aceasta este o masă totală substanțial mai mare decât orice sistem binar de stele neutronice cunoscut.

Acum Bhattacharya, supraveghetorul ei Basudeb Dasgupta, Plus Ranjan Laha al Institutului Indian de Știință și Anupam Ray de la Universitatea din California, Berkeley, au sugerat că materia întunecată acumulată în nucleul unei stele neutronice ar crește densitatea nucleului până la punctul în care se prăbușește într-o gaură neagră în miniatură. Această gaură neagră va crește apoi și va înghiți steaua neutronică. Rezultatul ar fi o gaură neagră cu o masă mai mică decât cea așteptată. Și, detectarea unor astfel de găuri negre de masă mică ar fi o dovadă tentantă pentru materia întunecată.

„Exotic din punct de vedere astrofizic”

„Aceste obiecte compacte ar fi exotice din punct de vedere astrofizic”, spune Bhattacharya, care este autorul principal al unei lucrări care descrie această ipoteză în Scrisori de recenzie fizică. Lucrarea lor prezintă GW 190814 și GW 190425 ca fuziuni care ar fi putut implica găuri negre care au fost făcute cu ajutorul materiei întunecate.

Indiferent dacă găurile negre convertite din stele neutronice există sau nu, Bhattacharya spune că căutarea lor va oferi „câteva constrângeri semnificative asupra interacțiunilor materiei întunecate cu nucleonii”. Ca rezultat, numărul tot mai mare de fuziuni observate ar putea permite fizicienilor să evalueze diferite modele de materie întunecată.

O altă posibilitate este ca obiectele cu masă mică observate în GW 190814 și GW 190425 să fie găuri negre primordiale care s-au format imediat după Big Bang. Cu toate acestea, unele teorii sugerează că găurile negre primordiale ar putea fi o componentă a materiei întunecate - astfel încât studierea fuziunilor ar putea oferi și mai multe informații despre natura materiei întunecate.

Într-adevăr, avantajul cheie al utilizării undelor gravitaționale pentru a căuta dovezi pentru materia întunecată este că este cel mai sensibil mijloc pe care îl avem pentru a detecta interacțiunile slabe non-gravitaționale ale materiei întunecate cu materia normală.

Acest lucru se datorează faptului că observarea undelor gravitaționale nu este supusă „etajului de neutrini”, care limitează experimentele care urmăresc să detecteze direct materia întunecată. Podeaua se referă la faptul că neutrinii sunt o sursă semnificativă de zgomot de fond în detectoarele de materie întunecată, cum ar fi LUX-ZEPLIN.

„Metoda sugerată de noi poate sonda regiunile care sunt dincolo de atingerea acestor detectoare terestre din cauza expunerii limitate și a sensibilității detectorului”, spune Bhattacharya.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii