Sóng hấp dẫn có thể tiết lộ vật chất tối biến sao neutron thành lỗ đen

Sóng hấp dẫn có thể tiết lộ vật chất tối biến sao neutron thành lỗ đen

Dấu thời gian: Ngày 19 tháng 2023 năm 10 39:XNUMX AM

Ngôi sao neutron
Biến đổi: các sao neutron có thể thu thập vật chất tối để biến chúng thành các lỗ đen nhỏ. (Được phép: Phòng thí nghiệm Hình ảnh Khái niệm của Trung tâm Bay Không gian Goddard của NASA)

Một nhóm các nhà vật lý lý thuyết ở Ấn Độ đã chỉ ra rằng sóng hấp dẫn có thể tiết lộ vai trò của vật chất tối trong việc biến các sao neutron thành lỗ đen.

Vật chất tối là một chất vô hình, giả định được viện dẫn để giải thích hành vi kỳ lạ của các cấu trúc quy mô lớn như các thiên hà và cụm thiên hà – hành vi không thể giải thích được chỉ bằng lực hấp dẫn.

Nếu tồn tại, vật chất tối phải tương tác với vật chất thông thường thông qua lực hấp dẫn. Tuy nhiên, một số mô hình dự đoán rằng vật chất tối cũng có thể tương tác với vật chất thông thường thông qua những tương tác phi hấp dẫn rất yếu.

Yếu đuối nhưng đủ

“Tương tác phi hấp dẫn có nghĩa là [các hạt vật chất tối] được cho là sẽ có một số loại tương tác với proton và neutron,” Sulagna Bhattacharya nói với Thế giới vật lý. Bhattacharya là một nghiên cứu sinh tại Viện Nghiên cứu Cơ bản Tata ở Mumbai, người nói thêm: “Những tương tác này có thể rất yếu, nhưng chúng có thể đủ để cho phép các hạt vật chất tối bị bắt giữ bên trong một ngôi sao neutron”.

Sao neutron là tàn dư lõi dày đặc của những ngôi sao lớn đã phát nổ dưới dạng siêu tân tinh. Chúng rất nhỏ, có đường kính khoảng chục km nhưng có khối lượng lớn hơn Mặt trời. Lõi của sao neutron dày đặc đến mức nó có thể làm tăng xác suất tương tác giữa vật chất bình thường và vật chất tối.

Khối lượng lý thuyết tối đa mà một sao neutron có thể có là 2.5 khối lượng Mặt Trời, nhưng trên thực tế hầu hết đều nhỏ hơn nhiều, khoảng 1.4 khối lượng Mặt Trời. Những ngôi sao neutron có khối lượng lớn hơn 2.5 lần khối lượng Mặt Trời sẽ bị suy sụp hấp dẫn để tạo thành lỗ đen.

Thu hẹp khoảng cách

Các lỗ đen khối lượng sao cũng có thể hình thành trực tiếp từ siêu tân tinh (vụ nổ của các ngôi sao lớn), nhưng mô hình lý thuyết đã gợi ý rằng các lỗ đen không nên tồn tại ở khối lượng gấp 2–5 lần khối lượng Mặt Trời. Cho đến gần đây, điều này đã được hỗ trợ bởi bằng chứng quan sát. Tuy nhiên, bắt đầu từ năm 2015, các quan sát sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất của các cặp lỗ đen đã tiết lộ sự tồn tại của các lỗ đen trong khoảng cách khối lượng này.

Ví dụ, GW 190814 là một sự kiện sóng hấp dẫn được phát hiện vào năm 2019 có sự tham gia của một vật thể có khối lượng từ 2.50–2.67 khối lượng mặt trời. Một sự kiện bí ẩn khác là GW 190425, cũng được phát hiện vào năm 2019, trong đó vật thể kết hợp có khối lượng bằng 3.4 khối lượng mặt trời. Đây là tổng khối lượng cao hơn đáng kể so với bất kỳ hệ sao neutron đôi nào đã biết.

Bây giờ Bhattacharya, người giám sát của cô ấy Basudeb Dasgupta, Cộng với Ranjan Laha của Viện Khoa học Ấn Độ và Anupam Ray của Đại học California, Berkeley, đã đề xuất rằng vật chất tối tích tụ trong lõi của một ngôi sao neutron sẽ làm tăng mật độ lõi đến mức nó suy sụp thành một lỗ đen thu nhỏ. Lỗ đen này sau đó sẽ phát triển và nhấn chìm ngôi sao neutron. Kết quả sẽ là một lỗ đen có khối lượng thấp hơn mong đợi. Và việc phát hiện ra những lỗ đen có khối lượng thấp như vậy sẽ là bằng chứng hấp dẫn về vật chất tối.

“Kỳ lạ về mặt thiên văn”

Bhattacharya, tác giả chính của bài báo mô tả giả thuyết này trên tạp chí Nature, cho biết: “Những vật thể nhỏ gọn này sẽ rất kỳ lạ về mặt vật lý thiên văn”. Physical Review Letters. Bài báo của họ đưa ra GW 190814 và GW 190425 là những sự hợp nhất có thể liên quan đến các lỗ đen được tạo ra với sự trợ giúp của vật chất tối.

Dù các lỗ đen được chuyển đổi từ sao neutron có tồn tại hay không, Bhattacharya nói rằng việc tìm kiếm chúng sẽ mang lại “một số hạn chế đáng kể đối với sự tương tác của vật chất tối với nucleon”. Kết quả là số lượng các vụ hợp nhất được quan sát ngày càng tăng có thể cho phép các nhà vật lý đánh giá các mô hình khác nhau của vật chất tối.

Một khả năng khác là các vật thể có khối lượng thấp được quan sát trong GW 190814 và GW 190425 là các lỗ đen nguyên thủy hình thành ngay sau Vụ nổ lớn. Tuy nhiên, một số lý thuyết cho rằng các lỗ đen nguyên thủy có thể là một thành phần của vật chất tối – vì vậy việc nghiên cứu các vụ sáp nhập có thể cung cấp nhiều thông tin hơn nữa về bản chất của vật chất tối.

Thật vậy, ưu điểm chính của việc sử dụng sóng hấp dẫn để tìm kiếm bằng chứng cho vật chất tối là nó là phương tiện nhạy cảm nhất mà chúng ta có để phát hiện những tương tác không hấp dẫn yếu ớt của vật chất tối với vật chất bình thường.

Điều này là do việc quan sát sóng hấp dẫn không phụ thuộc vào “tầng neutrino”, điều này hạn chế các thí nghiệm nhằm phát hiện trực tiếp vật chất tối. Tầng đề cập đến thực tế là neutrino là một nguồn nhiễu nền đáng kể trong các máy dò vật chất tối như LUX-ZEPLIN.

Bhattacharya cho biết: “Phương pháp do chúng tôi đề xuất có thể thăm dò những khu vực nằm ngoài tầm với của các máy dò trên mặt đất này do độ phơi sáng và độ nhạy của máy dò bị hạn chế”.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý