Гравитационные волны могут выявить темную материю, превращающую нейтронные звезды в черные дыры

Команда физиков-теоретиков из Индии показала, что гравитационные волны могут раскрыть роль темной материи в превращении нейтронных звезд в черные дыры.

Темная материя — это гипотетическая невидимая субстанция, призванная объяснить любопытное поведение крупномасштабных структур, таких как галактики и скопления галактик — поведение, которое невозможно объяснить одной только гравитацией.

Если она существует, темная материя должна взаимодействовать с обычной материей посредством гравитации. Однако некоторые модели предсказывают, что темная материя также может взаимодействовать с обычной материей посредством очень слабых негравитационных взаимодействий.

Слабый, но достаточный

«Негравитационное взаимодействие означает, что [частицы темной материи] будут каким-то образом взаимодействовать с протонами и нейтронами», Сулагна Бхаттачарья заявил Мир физики. Бхаттачарья, аспирант Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, добавляет: «Эти взаимодействия могут быть очень слабыми, но их может быть достаточно, чтобы позволить частицам темной материи захватиться внутри нейтронной звезды».

Нейтронные звезды — это плотные остатки ядра массивных звезд, взорвавшихся как сверхновые. Они очень маленькие, возможно, дюжину километров в поперечнике, но с массой больше Солнца. Ядро нейтронной звезды настолько плотное, что может увеличить вероятность взаимодействия между нормальной материей и темной материей.

Максимальная теоретическая масса, которую может иметь нейтронная звезда, составляет 2.5 массы Солнца, но на практике большинство из них намного меньше, около 1.4 массы Солнца. Нейтронные звезды с массой более 2.5 солнечных будут подвергаться гравитационному коллапсу с образованием черных дыр.

Закрытие пробела

Черные дыры звездной массы также могут образовываться непосредственно из сверхновых (взрывы крупных звезд), но теоретическое моделирование показало, что черные дыры не должны существовать при массе 2–5 солнечных. До недавнего времени это подтверждалось наблюдательными данными. Однако, начиная с 2015 года, наблюдения гравитационных волн от слияний пар черных дыр выявили существование черных дыр внутри этой массы.

Например, GW 190814 — гравитационно-волновое событие, обнаруженное в 2019 году, в котором участвовал объект с массой от 2.50 до 2.67 солнечных масс. Еще одним загадочным событием было GW 190425, также обнаруженный в 2019 году, при этом объединенный объект имел массу 3.4 солнечных массы. Это существенно более высокая общая масса, чем у любой известной двойной системы нейтронных звезд.

Теперь Бхаттачарья, ее руководитель Басудеб Дасгупта, плюс Ранджан Лаха Индийского института науки и Анупам Рэй из Калифорнийского университета в Беркли предположили, что темная материя, накапливающаяся в ядре нейтронной звезды, увеличит плотность ядра до такой степени, что оно схлопнется в миниатюрную черную дыру. Затем эта черная дыра вырастет и поглотит нейтронную звезду. Результатом будет черная дыра с массой ниже ожидаемой. И обнаружение таких маломассивных черных дыр могло бы стать убедительным доказательством существования темной материи.

«Астрофизическая экзотика»

«Эти компактные объекты были бы астрофизически экзотическими», — говорит Бхаттачарья, ведущий автор статьи, описывающей эту гипотезу в Physical Review Letters,. В их статье GW 190814 и GW 190425 рассматриваются как слияния, в которых могли участвовать черные дыры, образовавшиеся с помощью темной материи.

Независимо от того, существуют ли черные дыры, преобразованные из нейтронных звезд, или нет, Бхаттачарья говорит, что их поиск обеспечит «некоторые существенные ограничения на взаимодействие темной материи с нуклонами». В результате растущее число наблюдаемых слияний может позволить физикам оценить различные модели темной материи.

Звезды, питаемые темной материей, возможно, были замечены JWST  

Другая возможность заключается в том, что объекты малой массы, наблюдаемые в GW 190814 и GW 190425, представляют собой первичные черные дыры, образовавшиеся сразу после Большого взрыва. Однако некоторые теории предполагают, что первичные черные дыры могут быть компонентом темной материи, поэтому изучение слияний может дать еще больше информации о природе темной материи.

Действительно, ключевым преимуществом использования гравитационных волн для поиска доказательств существования темной материи является то, что это наиболее чувствительный способ обнаружения слабых негравитационных взаимодействий темной материи с нормальной материей.

Это связано с тем, что наблюдение гравитационных волн не зависит от «нейтринного пола», который ограничивает эксперименты, направленные на непосредственное обнаружение темной материи. Эта фраза относится к тому факту, что нейтрино являются существенным источником фонового шума в детекторах темной материи, таких как ЛЮКС-ЗЕПЛИН.

«Предложенный нами метод может исследовать регионы, которые находятся вне досягаемости этих наземных детекторов из-за ограниченной экспозиции и чувствительности детектора», — говорит Бхаттачарья.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-could-reveal-dark-matter-transforming-neutron-stars-into-black-holes/