Τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τη σκοτεινή ύλη μετατρέποντας αστέρια νετρονίων σε μαύρες τρύπες - Physics World

Χρονική σήμανση: 19 Σεπτεμβρίου 2023 10:39 π.μ.
Κόμβος πηγής: 2888677

Αστέρας νετρονίων
Μεταμόρφωση: αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν να συγκεντρώσουν σκοτεινή ύλη που τα μετατρέπει σε μικρές μαύρες τρύπες. (Ευγενική προσφορά: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Μια ομάδα θεωρητικών φυσικών στην Ινδία έδειξε ότι τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τον ρόλο που θα μπορούσε να παίξει η σκοτεινή ύλη στη μετατροπή των αστέρων νετρονίων σε μαύρες τρύπες.

Η σκοτεινή ύλη είναι μια υποθετική, αόρατη ουσία που επικαλείται για να εξηγήσει την περίεργη συμπεριφορά δομών μεγάλης κλίμακας όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών – συμπεριφορά που δεν μπορεί να εξηγηθεί μόνο από τη βαρύτητα.

Εάν υπάρχει, η σκοτεινή ύλη πρέπει να αλληλεπιδράσει με τη συνηθισμένη ύλη μέσω της βαρύτητας. Ωστόσο, ορισμένα μοντέλα προβλέπουν ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε επίσης να αλληλεπιδράσει με τη συνηθισμένη ύλη μέσω πολύ αδύναμων μη βαρυτικών αλληλεπιδράσεων.

Αδύναμο αλλά επαρκές

«Η μη βαρυτική αλληλεπίδραση σημαίνει ότι [τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης] αναμένεται να έχουν κάποιου είδους αλληλεπίδραση με πρωτόνια και νετρόνια». Sulagna Bhattacharya είπε Κόσμος Φυσικής. Ο Bhattacharya είναι μεταπτυχιακός φοιτητής στο Ινστιτούτο Θεμελιωδών Ερευνών Tata στη Βομβάη, ο οποίος προσθέτει, «Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορεί να είναι πολύ αδύναμες, αλλά μπορεί να επαρκούν για να επιτρέψουν στα σωματίδια της σκοτεινής ύλης να συλληφθούν μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων».

Τα αστέρια νετρονίων είναι τα πυκνά υπολείμματα του πυρήνα των ογκωδών αστέρων που έχουν εκραγεί ως σουπερνόβα. Είναι πολύ μικρά, ίσως μια ντουζίνα χιλιόμετρα πλάτος, αλλά με μάζες μεγαλύτερες από τον Ήλιο. Ο πυρήνας ενός αστέρα νετρονίων είναι τόσο πυκνός που θα μπορούσε να αυξήσει την πιθανότητα αλληλεπιδράσεων μεταξύ της κανονικής ύλης και της σκοτεινής ύλης.

Η μέγιστη θεωρητική μάζα που μπορεί να έχει ένα αστέρι νετρονίων είναι 2.5 ηλιακές μάζες, αλλά στην πράξη οι περισσότερες είναι πολύ μικρότερες, περίπου 1.4 ηλιακές μάζες. Οι αστέρες νετρονίων που είναι μεγαλύτερες από 2.5 ηλιακές μάζες θα υποστούν βαρυτική κατάρρευση για να σχηματίσουν μαύρες τρύπες.

Κλείνοντας το χάσμα

Οι μαύρες τρύπες αστρικής μάζας μπορούν επίσης να σχηματιστούν απευθείας από σουπερνόβα (εκρήξεις μεγάλων άστρων), αλλά η θεωρητική μοντελοποίηση έχει προτείνει ότι οι μαύρες τρύπες δεν πρέπει να υπάρχουν σε ηλιακές μάζες 2-5. Μέχρι πρόσφατα, αυτό υποστηριζόταν από στοιχεία παρατήρησης. Ωστόσο, ξεκινώντας το 2015, παρατηρήσεις βαρυτικών κυμάτων από τις συγχωνεύσεις ζευγών μαύρων οπών αποκάλυψαν την ύπαρξη μαύρων οπών μέσα σε αυτό το χάσμα μάζας.

Για παράδειγμα, GW 190814 ήταν ένα συμβάν βαρυτικών κυμάτων που εντοπίστηκε το 2019 και αφορούσε ένα αντικείμενο με 2.50–2.67 ηλιακές μάζες. Ένα άλλο γεγονός μυστηρίου ήταν GW 190425, εντοπίστηκε επίσης το 2019, όπου το συνδυασμένο αντικείμενο είχε μάζα 3.4 ηλιακών μαζών. Αυτή είναι μια σημαντικά υψηλότερη συνολική μάζα από οποιοδήποτε γνωστό σύστημα δυαδικών αστέρων νετρονίων.

Τώρα η Bhattacharya, ο προϊστάμενός της Μπασουντέμπ Ντασγκούπτα, συν Ραντζάν Λάχα του Ινδικού Ινστιτούτου Επιστημών και Anupam Ray του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, έχουν προτείνει ότι η σκοτεινή ύλη που συσσωρεύεται στον πυρήνα ενός άστρου νετρονίων θα αύξανε την πυκνότητα του πυρήνα σε σημείο που καταρρέει σε μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα. Αυτή η μαύρη τρύπα θα μεγαλώσει και θα καταβροχθίσει το αστέρι νετρονίων. Το αποτέλεσμα θα ήταν μια μαύρη τρύπα με μάζα μικρότερη από την αναμενόμενη. Και, η ανίχνευση τέτοιων μαύρων τρυπών χαμηλής μάζας θα ήταν δελεαστικά στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη.

“Αστροφυσικά εξωτικό”

«Αυτά τα συμπαγή αντικείμενα θα ήταν αστροφυσικά εξωτικά», λέει ο Bhattacharya, ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας μιας εργασίας που περιγράφει αυτή την υπόθεση στο Επιστολές Φυσικής Επισκόπησης. Το έγγραφό τους παρουσιάζει τα GW 190814 και GW 190425 ως συγχωνεύσεις που θα μπορούσαν να εμπλέκουν μαύρες τρύπες που δημιουργήθηκαν με τη βοήθεια της σκοτεινής ύλης.

Είτε υπάρχουν μαύρες τρύπες που έχουν μετατραπεί από αστέρια νετρονίων είτε όχι, ο Bhattacharya λέει ότι η αναζήτησή τους θα προσφέρει «μερικούς σημαντικούς περιορισμούς στις αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης με τα νουκλεόνια». Ως αποτέλεσμα, ο αυξανόμενος αριθμός των συγχωνεύσεων που παρατηρούνται θα μπορούσε να επιτρέψει στους φυσικούς να αξιολογήσουν διαφορετικά μοντέλα σκοτεινής ύλης.

Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι τα αντικείμενα χαμηλής μάζας που παρατηρήθηκαν στα GW 190814 και GW 190425 είναι αρχέγονες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ωστόσο, ορισμένες θεωρίες προτείνουν ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι ένα συστατικό της σκοτεινής ύλης – έτσι η μελέτη των συγχωνεύσεων θα μπορούσε να παρέχει ακόμη περισσότερες πληροφορίες για τη φύση της σκοτεινής ύλης.

Πράγματι, το βασικό πλεονέκτημα της χρήσης βαρυτικών κυμάτων για την αναζήτηση στοιχείων για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι είναι το πιο ευαίσθητο μέσο που έχουμε για την ανίχνευση των αμυδρά μη βαρυτικών αλληλεπιδράσεων της σκοτεινής ύλης με την κανονική ύλη.

Αυτό συμβαίνει επειδή η παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων δεν υπόκειται στο «πάτωμα των νετρίνων», το οποίο περιορίζει τα πειράματα που στοχεύουν στην άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. Το πάτωμα αναφέρεται στο γεγονός ότι τα νετρίνα είναι μια σημαντική πηγή θορύβου περιβάλλοντος σε ανιχνευτές σκοτεινής ύλης όπως ΛΟΥΞ-ΖΕΠΛΙΝ.

«Η μέθοδος που προτείνουμε μπορεί να ανιχνεύσει τις περιοχές που είναι πέρα ​​από την εμβέλεια αυτών των επίγειων ανιχνευτών λόγω περιορισμένης έκθεσης και ευαισθησίας ανιχνευτών», λέει ο Bhattacharya.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής