คลื่นความโน้มถ่วงสามารถเปิดเผยสสารมืดที่เปลี่ยนดาวนิวตรอนให้กลายเป็นหลุมดำ - โลกฟิสิกส์

คลื่นความโน้มถ่วงสามารถเปิดเผยสสารมืดที่เปลี่ยนดาวนิวตรอนให้กลายเป็นหลุมดำ - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 19 กันยายน 2023 10:39 น.

ดาวนิวตรอน
การเปลี่ยนแปลง: ดาวนิวตรอนสามารถรวบรวมสสารมืดที่เปลี่ยนพวกมันให้กลายเป็นหลุมดำขนาดเล็ก (ได้รับความอนุเคราะห์จาก NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

ทีมนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีในอินเดียแสดงให้เห็นว่าคลื่นความโน้มถ่วงสามารถเปิดเผยบทบาทของสสารมืดในการเปลี่ยนดาวนิวตรอนให้เป็นหลุมดำ

สสารมืดเป็นสสารสมมุติและมองไม่เห็นที่ถูกเรียกใช้เพื่ออธิบายพฤติกรรมประหลาดของโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น กาแลคซีและกระจุกกาแลคซี ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว

หากมีอยู่ สสารมืดจะต้องมีปฏิกิริยากับสสารธรรมดาผ่านแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม บางแบบจำลองทำนายว่าสสารมืดอาจมีอันตรกิริยากับสสารธรรมดาผ่านอันตรกิริยาที่ไม่แรงโน้มถ่วงที่น้อยมาก

อ่อนแอแต่เพียงพอ

“ปฏิสัมพันธ์ที่ไม่มีแรงโน้มถ่วงหมายความว่า [อนุภาคสสารมืด] คาดว่าจะมีปฏิสัมพันธ์กับโปรตอนและนิวตรอน” สุลัคณา ภัตตาชารยะ บอก โลกฟิสิกส์. ภัตตาชารยาเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่สถาบันวิจัยพื้นฐานทาทาในมุมไบ โดยกล่าวเสริมว่า “ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้อาจจะอ่อนแอมาก แต่อาจจะเพียงพอที่จะทำให้อนุภาคสสารมืดถูกจับภายในดาวนิวตรอน”

ดาวนิวตรอนเป็นแกนกลางที่หนาแน่นของดาวมวลมากที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา พวกมันมีขนาดเล็กมาก อาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางหลายสิบกิโลเมตร แต่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ แกนกลางของดาวนิวตรอนมีความหนาแน่นมากจนสามารถเพิ่มความเป็นไปได้ที่จะมีอันตรกิริยาระหว่างสสารปกติและสสารมืด

มวลตามทฤษฎีสูงสุดที่ดาวนิวตรอนสามารถมีได้คือ 2.5 มวลดวงอาทิตย์ แต่ในทางปฏิบัติแล้วมวลส่วนใหญ่จะน้อยกว่ามาก คือประมาณ 1.4 มวลดวงอาทิตย์ ดาวนิวตรอนที่มีมวลมากกว่า 2.5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จะเกิดการยุบตัวของแรงโน้มถ่วงจนกลายเป็นหลุมดำ

ปิดช่องว่าง

หลุมดำมวลดาวฤกษ์ยังสามารถก่อตัวได้โดยตรงจากซูเปอร์โนวา (การระเบิดของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่) แต่การสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีได้เสนอแนะว่าหลุมดำไม่ควรมีอยู่ที่ 2-5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ สิ่งนี้ได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานเชิงสังเกต อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2015 การสังเกตคลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมของคู่หลุมดำเผยให้เห็นว่ามีหลุมดำอยู่ภายในช่องว่างมวลนี้

ตัวอย่างเช่น GW 190814 เป็นเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบในปี 2019 ที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่มีมวลระหว่าง 2.50–2.67 เท่าของดวงอาทิตย์ เหตุการณ์ลึกลับอีกอย่างหนึ่งก็คือ GW 190425ซึ่งตรวจพบในปี 2019 เช่นกัน โดยวัตถุที่รวมกันมีมวล 3.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ นี่เป็นมวลรวมที่สูงกว่าระบบดาวนิวตรอนคู่ใดๆ ที่เรารู้จักอย่างมาก

ปัจจุบัน ภัตตะจารย์ หัวหน้างานของเธอ พสุเทพ ทัสกุปตะบวก รันจัน ลาฮา ของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งอินเดียและ อนุพัม เรย์ แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ เสนอแนะว่าสสารมืดที่สะสมอยู่ภายในแกนกลางของดาวนิวตรอนจะเพิ่มความหนาแน่นของแกนกลางจนถึงจุดที่ยุบตัวเป็นหลุมดำขนาดเล็ก หลุมดำนี้จะเติบโตและดูดกลืนดาวนิวตรอน ผลที่ได้คือหลุมดำที่มีมวลต่ำกว่าที่คาดไว้ และการตรวจจับหลุมดำมวลต่ำเช่นนี้อาจเป็นหลักฐานที่ยั่วเย้าสำหรับสสารมืด

“แปลกใหม่ทางดาราศาสตร์”

“วัตถุที่มีขนาดกะทัดรัดเหล่านี้คงจะเป็นสิ่งแปลกใหม่ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์” ภัตตะจารยา ผู้เขียนนำรายงานที่อธิบายสมมติฐานนี้ใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น. บทความของพวกเขาระบุว่า GW 190814 และ GW 190425 เป็นการควบรวมที่อาจเกี่ยวข้องกับหลุมดำที่เกิดจากความช่วยเหลือของสสารมืด

ไม่ว่าหลุมดำที่เปลี่ยนจากดาวนิวตรอนจะมีอยู่หรือไม่ก็ตาม ภัตตาชารยากล่าวว่าการค้นหาพวกมันจะทำให้เกิด “ข้อจำกัดที่สำคัญบางประการเกี่ยวกับปฏิกิริยาระหว่างสสารมืดกับนิวคลีออน” ผลก็คือ จำนวนการควบรวมที่เพิ่มขึ้นที่สังเกตได้อาจทำให้นักฟิสิกส์สามารถประเมินแบบจำลองต่างๆ ของสสารมืดได้

ความเป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งก็คือวัตถุมวลต่ำที่พบใน GW 190814 และ GW 190425 นั้นเป็นหลุมดำยุคแรกเริ่มที่ก่อตัวทันทีหลังบิ๊กแบง อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีบางทฤษฎีแนะนำว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์อาจเป็นส่วนประกอบของสสารมืด ดังนั้นการศึกษาการควบรวมจึงสามารถให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืดได้

แท้จริงแล้ว ข้อได้เปรียบที่สำคัญของการใช้คลื่นความโน้มถ่วงเพื่อค้นหาหลักฐานสำหรับสสารมืดก็คือ มันเป็นวิธีการที่ละเอียดอ่อนที่สุดที่เรามีในการตรวจจับปฏิกิริยาอันไม่โน้มถ่วงเล็กน้อยของสสารมืดกับสสารปกติ

เนื่องจากการสำรวจคลื่นความโน้มถ่วงไม่ได้อยู่ภายใต้ "พื้นนิวตริโน" ซึ่งจำกัดการทดลองที่มีเป้าหมายเพื่อตรวจจับสสารมืดโดยตรง พื้นหมายถึงความจริงที่ว่านิวตริโนเป็นแหล่งเสียงรบกวนพื้นหลังที่สำคัญในเครื่องตรวจจับสสารมืดเช่น ลักซ์-เซพลิน.

“วิธีที่เราแนะนำสามารถตรวจสอบบริเวณที่อยู่นอกเหนือขอบเขตของเครื่องตรวจจับภาคพื้นดินเหล่านี้ เนื่องจากมีการสัมผัสที่จำกัดและความไวของเครื่องตรวจจับ” Bhattacharya กล่าว

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์