امواج گرانشی می توانند ماده تاریک را آشکار کنند که ستاره های نوترونی را به سیاهچاله تبدیل می کند - دنیای فیزیک

تمبر زمانی: 19 سپتامبر 2023، 10:39 صبح
گره منبع: 2888677

ستاره نوترون
دگرگونی: ستاره های نوترونی می توانند ماده تاریک را جمع آوری کنند که آنها را به سیاهچاله های کوچک تبدیل می کند.

گروهی از فیزیکدانان نظری در هند نشان داده‌اند که امواج گرانشی می‌توانند نقشی را که ماده تاریک در تبدیل ستاره‌های نوترونی به سیاه‌چاله ایفا می‌کند، آشکار کنند.

ماده تاریک یک ماده فرضی و نامرئی است که برای توضیح رفتار عجیب ساختارهای بزرگ مقیاس مانند کهکشان ها و خوشه های کهکشانی مورد استفاده قرار می گیرد - رفتاری که تنها با گرانش قابل توضیح نیست.

اگر وجود داشته باشد، ماده تاریک باید از طریق گرانش با ماده معمولی تعامل داشته باشد. با این حال، برخی مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند که ماده تاریک می‌تواند از طریق برهمکنش‌های غیر گرانشی بسیار ضعیف با ماده معمولی نیز تعامل داشته باشد.

ضعیف اما کافی

"برهمکنش غیر گرانشی به این معنی است که انتظار می رود [ذرات ماده تاریک] نوعی برهمکنش با پروتون ها و نوترون ها داشته باشند." سولاگنا باتاچاریا گفته شده دنیای فیزیک. بهتاچاریا دانشجوی کارشناسی ارشد در موسسه تحقیقات بنیادی تاتا در بمبئی است که می‌افزاید: «این برهم‌کنش‌ها ممکن است بسیار ضعیف باشند، اما ممکن است به اندازه کافی کافی باشند تا ذرات ماده تاریک درون یک ستاره نوترونی جذب شوند.»

ستاره های نوترونی بقایای هسته متراکم ستارگان عظیمی هستند که به صورت ابرنواختر منفجر شده اند. آنها بسیار کوچک هستند، شاید XNUMX کیلومتر عرض داشته باشند، اما جرم آنها بیشتر از خورشید است. هسته یک ستاره نوترونی آنقدر متراکم است که می تواند احتمال برهمکنش بین ماده معمولی و ماده تاریک را افزایش دهد.

حداکثر جرم نظری که یک ستاره نوترونی می تواند داشته باشد 2.5 جرم خورشیدی است، اما در عمل اکثر آنها بسیار کوچکتر هستند، در حدود 1.4 جرم خورشید. ستارگان نوترونی که جرم آنها بیشتر از 2.5 خورشید است، دچار فروپاشی گرانشی شده و سیاهچاله ها را تشکیل می دهند.

بستن شکاف

سیاهچاله‌های جرم ستاره‌ای نیز می‌توانند مستقیماً از ابرنواخترها (انفجار ستاره‌های بزرگ) تشکیل شوند، اما مدل‌سازی نظری نشان می‌دهد که سیاهچاله‌ها نباید با جرم ۲ تا ۵ خورشیدی وجود داشته باشند. تا همین اواخر، این با شواهد مشاهداتی پشتیبانی می شد. با این حال، در آغاز سال 2، مشاهدات امواج گرانشی حاصل از ادغام جفت‌های سیاه‌چاله، وجود سیاه‌چاله‌ها را در این شکاف جرمی نشان داد.

به عنوان مثال، GW 190814 یک رویداد موج گرانشی بود که در سال 2019 شناسایی شد و جسمی با جرم بین 2.50-2.67 خورشیدی را درگیر کرد. یکی دیگر از رویدادهای مرموز این بود GW 190425، همچنین در سال 2019 کشف شد، که در آن جرم ترکیبی 3.4 جرم خورشید بود. این جرم کل به طور قابل ملاحظه ای بالاتر از هر سیستم ستاره ای نوترونی دوتایی شناخته شده است.

حالا بهاتاچاریا، سرپرست او باسودب داسگوپتا، به همراه رنجان لاها از موسسه علوم هند و آنوپام ری از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، پیشنهاد کرده اند که تجمع ماده تاریک در هسته یک ستاره نوترونی، چگالی هسته را تا حدی افزایش می دهد که به یک سیاهچاله مینیاتوری فرو می ریزد. این سیاهچاله سپس رشد می کند و ستاره نوترونی را می بلعد. نتیجه یک سیاهچاله با جرم کمتر از حد انتظار خواهد بود. و، کشف چنین سیاهچاله هایی با جرم کم، شواهد وسوسه انگیزی برای ماده تاریک خواهد بود.

"از نظر نجومی عجیب و غریب"

بهاتاچاریا که نویسنده اصلی مقاله ای است که این فرضیه را توصیف می کند، می گوید: «این اجرام فشرده از نظر اخترفیزیکی عجیب و غریب خواهند بود. Physical Review Letters به. مقاله آنها GW 190814 و GW 190425 را به عنوان ادغام هایی که می تواند سیاهچاله هایی را که با کمک ماده تاریک ساخته شده اند شامل شود، ارائه می دهد.

چه سیاهچاله‌های تبدیل‌شده از ستاره‌های نوترونی وجود داشته باشند یا نه، بهتاچاریا می‌گوید که جستجوی آنها «محدودیت‌های مهمی را در برهم‌کنش‌های ماده تاریک با نوکلئون‌ها» فراهم می‌کند. در نتیجه، تعداد فزاینده ادغام هایی که مشاهده می شود می تواند به فیزیکدانان اجازه دهد تا مدل های مختلف ماده تاریک را ارزیابی کنند.

احتمال دیگر این است که اجرام کم جرم مشاهده شده در GW 190814 و GW 190425 سیاهچاله های اولیه ای هستند که بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته اند. با این حال، برخی از نظریه‌ها نشان می‌دهند که سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانند جزئی از ماده تاریک باشند – بنابراین مطالعه ادغام‌ها می‌تواند اطلاعات بیشتری در مورد ماهیت ماده تاریک ارائه دهد.

در واقع، مزیت کلیدی استفاده از امواج گرانشی برای جستجوی شواهدی برای ماده تاریک این است که حساس ترین وسیله ای است که ما برای تشخیص برهمکنش های غیر گرانشی ضعیف ماده تاریک با ماده معمولی داریم.

این به این دلیل است که مشاهده امواج گرانشی تابع «کف نوترینو» نیست، که آزمایش‌هایی را که هدفشان تشخیص مستقیم ماده تاریک است، محدود می‌کند. طبقه به این واقعیت اشاره دارد که نوترینوها منبع قابل توجهی از نویز پس زمینه در آشکارسازهای ماده تاریک مانند LUX-ZEPLIN.

بهتاچاریا می‌گوید: «روش پیشنهادی ما می‌تواند مناطقی را که به دلیل قرار گرفتن در معرض محدود و حساسیت آشکارساز دور از دسترس این آشکارسازهای زمینی هستند، کاوش کند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک