Gravitationsbølger kunne afsløre mørkt stof, der omdanner neutronstjerner til sorte huller – Physics World

Tidsstempel: 19. september 2023 kl. 10
Kildeknude: 2888677

Neutronstjerne
Transformation: neutronstjerner kunne samle mørkt stof, der gør dem til små sorte huller.(Med høflighed: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Et hold af teoretiske fysikere i Indien har vist, at gravitationsbølger kunne afsløre den rolle, som mørkt stof kunne spille i at omdanne neutronstjerner til sorte huller.

Mørkt stof er et hypotetisk, usynligt stof, der påberåbes for at forklare den mærkværdige adfærd af store strukturer som galakser og galaksehobe – adfærd, der ikke kan forklares af tyngdekraften alene.

Hvis det eksisterer, skal mørkt stof interagere med almindeligt stof via tyngdekraften. Nogle modeller forudsiger dog, at mørkt stof også kunne interagere med almindeligt stof gennem meget svage ikke-gravitationelle interaktioner.

Svagt men tilstrækkeligt

"Ikke-gravitationel interaktion betyder, at [mørkt stof partikler] forventes at have en form for interaktion med protoner og neutroner," Sulagna Bhattacharya fortalt Fysik verden. Bhattacharya er kandidatstuderende ved Tata Institute of Fundamental Research i Mumbai, som tilføjer: "Disse interaktioner kan være meget svage, men de kan være tilstrækkelige nok til at tillade partiklerne af mørkt stof at blive fanget inde i en neutronstjerne".

Neutronstjerner er de tætte kernerester af massive stjerner, der er eksploderet som supernovaer. De er meget små, måske et dusin kilometer på tværs, men med masser større end Solen. Kernen i en neutronstjerne er så tæt, at den kan øge sandsynligheden for vekselvirkninger mellem normalt stof og mørkt stof.

Den maksimale teoretiske masse, som en neutronstjerne kan have, er 2.5 solmasser, men i praksis er de fleste meget mindre, omkring 1.4 solmasser. Neutronstjerner, der er større end 2.5 solmasser, vil gennemgå gravitationssammenbrud og danne sorte huller.

Lukning af hullet

Stjernemasse sorte huller kan også dannes direkte fra supernovaer (eksplosioner af store stjerner), men teoretisk modellering har foreslået, at sorte huller ikke burde eksistere ved 2-5 solmasser. Indtil for nylig blev dette understøttet af observationsbeviser. Fra 2015 afslørede observationer af gravitationsbølger fra fusioner af sorte hul-par imidlertid eksistensen af ​​sorte huller inden for dette massegab.

For eksempel: GW 190814 var en gravitationsbølgebegivenhed opdaget i 2019, der involverede et objekt med mellem 2.50-2.67 solmasser. En anden mystisk begivenhed var GW 190425, også opdaget i 2019, hvor det kombinerede objekt havde en masse på 3.4 solmasser. Dette er en væsentlig højere totalmasse end noget kendt binært neutronstjernesystem.

Nu Bhattacharya, hendes vejleder Basudeb Dasgupta, Plus Ranjan Laha fra Indian Institute of Science og Anupam Ray fra University of California, Berkeley, har foreslået, at mørkt stof, der ophobes i kernen af ​​en neutronstjerne, ville øge kernedensiteten til det punkt, at det kollapser til et sort hul i miniatureformat. Dette sorte hul ville så vokse og opsluge neutronstjernen. Resultatet ville være et sort hul med en lavere end forventet masse. Og opdagelsen af ​​sådanne lavmasse sorte huller ville være fristende bevis for det mørke stof.

"Astrofysisk eksotisk"

"Disse kompakte objekter ville være astrofysisk eksotiske," siger Bhattacharya, der er hovedforfatter til et papir, der beskriver denne hypotese i Physical Review Letters. Deres papir fremsætter GW 190814 og GW 190425 som fusioner, der kunne have involveret sorte huller, der blev lavet ved hjælp af mørkt stof.

Uanset om sorte huller konverteret fra neutronstjerner eksisterer eller ej, siger Bhattacharya, at søgning efter dem vil give "nogle væsentlige begrænsninger for mørkt stofs interaktioner med nukleoner". Som følge heraf kunne det stigende antal fusioner, der observeres, give fysikere mulighed for at evaluere forskellige modeller af mørkt stof.

En anden mulighed er, at de lavmasseobjekter, der blev observeret i GW 190814 og GW 190425, er primordiale sorte huller, der blev dannet i umiddelbar eftervirkning af Big Bang. Nogle teorier tyder dog på, at primordiale sorte huller kunne være en komponent i mørkt stof - så at studere fusioner kunne give endnu mere information om mørkt stofs natur.

Faktisk er den vigtigste fordel ved at bruge gravitationsbølger til at søge efter beviser for mørkt stof, at det er det mest følsomme middel, vi har til at detektere de svage ikke-gravitationelle interaktioner mellem mørkt stof og normalt stof.

Dette skyldes, at observation af gravitationsbølger ikke er underlagt "neutrinogulvet", som begrænser eksperimenter, der sigter mod direkte at detektere mørkt stof. Gulvet henviser til, at neutrinoer er en væsentlig kilde til baggrundsstøj i mørkestofdetektorer som f.eks. LUX-ZEPLIN.

"Den metode, vi foreslår, kan undersøge de områder, der er uden for rækkevidde af disse terrestriske detektorer på grund af begrænset eksponering og detektorfølsomhed," siger Bhattacharya.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden