Gravitationsvågor kan avslöja mörk materia som omvandlar neutronstjärnor till svarta hål – Physics World

Gravitationsvågor kan avslöja mörk materia som omvandlar neutronstjärnor till svarta hål – Physics World

Tidsstämpel: 19 september, 2023 10:39

Neutronstjärna
Transformation: neutronstjärnor kan samla mörk materia som förvandlar dem till små svarta hål.(Med tillstånd: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Ett team av teoretiska fysiker i Indien har visat att gravitationsvågor kan avslöja den roll som mörk materia kan spela för att omvandla neutronstjärnor till svarta hål.

Mörk materia är en hypotetisk, osynlig substans som åberopas för att förklara det märkliga beteendet hos storskaliga strukturer som galaxer och galaxhopar – beteende som inte kan förklaras enbart av gravitationen.

Om den finns måste mörk materia interagera med vanlig materia via gravitationen. Vissa modeller förutspår dock att mörk materia också kan interagera med vanlig materia genom mycket svaga icke-gravitationella interaktioner.

Svagt men tillräckligt

"Icke-gravitationell interaktion betyder att [mörk materia partiklar] förväntas ha någon form av interaktion med protoner och neutroner," Sulagna Bhattacharya berättade Fysikvärlden. Bhattacharya är en doktorand vid Tata Institute of Fundamental Research i Mumbai, som tillägger: "Dessa interaktioner kan vara mycket svaga, men de kan vara tillräckliga nog för att tillåta partiklarna av mörk materia att fångas inuti en neutronstjärna".

Neutronstjärnor är de täta kärnresterna av massiva stjärnor som har exploderat som supernovor. De är mycket små, kanske ett dussin kilometer i diameter, men med massor som är större än solen. Kärnan i en neutronstjärna är så tät att den kan öka sannolikheten för interaktioner mellan normal materia och mörk materia.

Den maximala teoretiska massan som en neutronstjärna kan ha är 2.5 solmassor, men i praktiken är de flesta mycket mindre, runt 1.4 solmassor. Neutronstjärnor som är större än 2.5 solmassor kommer att genomgå gravitationskollaps för att bilda svarta hål.

Avsluta klyftan

Stjärnmassa svarta hål kan också bildas direkt från supernovor (explosioner av stora stjärnor), men teoretisk modellering har föreslagit att svarta hål inte borde existera vid 2–5 solmassor. Fram till nyligen stöddes detta av observationsbevis. Men med början 2015 avslöjade observationer av gravitationsvågor från sammanslagningar av svarta hålspar förekomsten av svarta hål inom detta massgap.

Till exempel, GW 190814 var en gravitationsvåg som upptäcktes 2019 och som involverade ett objekt med mellan 2.50–2.67 solmassor. En annan mystisk händelse var GW 190425, även upptäckt 2019, där det kombinerade objektet hade en massa på 3.4 solmassor. Detta är en väsentligt högre total massa än något känt binärt neutronstjärnsystem.

Nu Bhattacharya, hennes handledare Basudeb Dasgupta, plus Ranjan Laha från Indian Institute of Science och Anupam Ray från University of California, Berkeley, har föreslagit att mörk materia som ackumuleras i kärnan av en neutronstjärna skulle öka kärndensiteten till den grad att den kollapsar till ett svart hål i miniatyr. Detta svarta hål skulle sedan växa och uppsluka neutronstjärnan. Resultatet skulle bli ett svart hål med en lägre massa än förväntat. Och upptäckten av sådana svarta hål med låg massa skulle vara lockande bevis för mörk materia.

"Astrofysiskt exotisk"

"Dessa kompakta föremål skulle vara astrofysiskt exotiska", säger Bhattacharya, som är huvudförfattare till en artikel som beskriver denna hypotes i Fysiska granskningsbrev. Deras tidning lägger fram GW 190814 och GW 190425 som sammanslagningar som kunde ha involverat svarta hål som skapades med hjälp av mörk materia.

Oavsett om det finns svarta hål omvandlade från neutronstjärnor eller inte, säger Bhattacharya att sökandet efter dem kommer att ge "några betydande begränsningar för interaktioner mellan mörk materia och nukleoner". Som ett resultat kan det växande antalet sammanslagningar som observeras tillåta fysiker att utvärdera olika modeller av mörk materia.

En annan möjlighet är att de lågmassaobjekt som observerades i GW 190814 och GW 190425 är ursprungliga svarta hål som bildades omedelbart efter Big Bang. Men vissa teorier tyder på att ursprungliga svarta hål kan vara en komponent i mörk materia - så att studera sammanslagningar kan ge ännu mer information om mörk materias natur.

Den viktigaste fördelen med att använda gravitationsvågor för att söka efter bevis för mörk materia är att det är det mest känsliga sättet vi har för att upptäcka de svaga icke-gravitationella interaktionerna mellan mörk materia och normal materia.

Detta beror på att observation av gravitationsvågor inte är föremål för "neutrinogolvet", vilket begränsar experiment som syftar till att direkt detektera mörk materia. Golvet hänvisar till att neutriner är en betydande källa till bakgrundsljud i mörkmateriedetektorer som t.ex. LUX-ZEPLIN.

"Den metod som föreslagits av oss kan undersöka de regioner som är utom räckhåll för dessa markbundna detektorer på grund av begränsad exponering och detektorkänslighet", säger Bhattacharya.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden