Gravitaatioaallot voivat paljastaa pimeän aineen, joka muuttaa neutronitähdet mustiksi aukoksi – Physics World

Aikaleima: 19. syyskuuta 2023 10
Lähdesolmu: 2888677

Neutroni tähti
Transformaatio: neutronitähdet voivat kerätä pimeää ainetta, joka muuttaa ne pieniksi mustiksi aukoksi. (Luettelo: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Intialainen teoreettisten fyysikkojen ryhmä on osoittanut, että gravitaatioaallot voivat paljastaa pimeän aineen roolin neutronitähtien muuttamisessa mustiksi aukoksi.

Pimeä aine on hypoteettinen, näkymätön aine, jota käytetään selittämään suurten rakenteiden, kuten galaksien ja galaksiklusterien, omituista käyttäytymistä – käyttäytymistä, jota ei voida selittää pelkällä painovoimalla.

Jos pimeää ainetta on olemassa, sen on oltava vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa painovoiman kautta. Jotkut mallit kuitenkin ennustavat, että pimeä aine voisi olla vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa erittäin heikkojen ei-gravitaatiovuorovaikutusten kautta.

Heikko mutta riittävä

"Ei-gravitaatiovuorovaikutus tarkoittaa, että [pimeän aineen hiukkasilla] odotetaan olevan jonkinlainen vuorovaikutus protonien ja neutronien kanssa." Sulagna Bhattacharya kertoi Fysiikan maailma. Bhattacharya on jatko-opiskelija Tata Institute of Fundamental Researchissa Mumbaissa, ja hän lisää: "Nämä vuorovaikutukset voivat olla hyvin heikkoja, mutta ne voivat olla tarpeeksi riittäviä sallimaan pimeän aineen hiukkasten vangitsemisen neutronitähden sisään".

Neutronitähdet ovat supernovana räjähtäneiden massiivisten tähtien tiheitä ydinjäänteitä. Ne ovat hyvin pieniä, ehkä kymmenkunta kilometriä halkaisijaltaan, mutta niiden massa on suurempi kuin Auringon. Neutronitähden ydin on niin tiheä, että se voi lisätä normaaliaineen ja pimeän aineen välisten vuorovaikutusten todennäköisyyttä.

Suurin teoreettinen massa, joka neutronitähdellä voi olla, on 2.5 auringon massaa, mutta käytännössä useimmat ovat paljon pienempiä, noin 1.4 auringon massaa. Neutronitähdet, joiden aurinkomassa on yli 2.5, painuvat läpi painovoiman romahtamisen muodostaen mustia aukkoja.

Kuilun sulkeminen

Tähtimassan mustia aukkoja voi syntyä myös suoraan supernoveista (suurten tähtien räjähdyksistä), mutta teoreettinen mallinnus on ehdottanut, että mustia aukkoja ei pitäisi olla 2–5 Auringon massalla. Viime aikoihin asti tätä on tuettu havainnollisilla todisteilla. Vuodesta 2015 alkaen mustien aukkojen parien fuusioitumisen aiheuttamat gravitaatioaaltojen havainnot paljastivat kuitenkin mustien aukkojen olemassaolon tässä massavälissä.

Esimerkiksi GW 190814 oli vuonna 2019 havaittu gravitaatioaaltotapahtuma, joka koski kohteen, jonka auringon massa oli 2.50–2.67. Toinen mysteeritapahtuma oli GW 190425, joka havaittiin myös vuonna 2019, jossa yhdistetyn kohteen massa oli 3.4 auringon massaa. Tämä on huomattavasti suurempi kokonaismassa kuin millään tunnetulla neutronitähtijärjestelmällä.

Nyt Bhattacharya, hänen esimiehensä Basudeb Dasguptaplus Ranjan Laha Intian tiedeinstituutista ja Anupam Ray Kalifornian yliopiston Berkeleyn tutkijat ovat ehdottaneet, että neutronitähden ytimeen kerääntyvä pimeä aine lisää ytimen tiheyttä siihen pisteeseen, että se romahtaa miniatyyriksi mustaksi aukoksi. Tämä musta aukko kasvaisi ja nielaisisi neutronitähden. Tuloksena olisi musta aukko, jonka massa on odotettua pienempi. Ja tällaisten pienimassaisten mustien aukkojen havaitseminen olisi kiehtova todiste pimeästä aineesta.

“Astrofyysisesti eksoottinen”

"Nämä kompaktit esineet olisivat astrofyysisesti eksoottisia", sanoo Bhattacharya, joka on johtava kirjoittaja artikkelissa, jossa kuvataan tätä hypoteesia. Fyysisen tarkastelun kirjaimet. Heidän paperissaan esitetään GW 190814 ja GW 190425 sulautumisina, joihin olisi voinut liittyä mustia aukkoja, jotka on tehty pimeän aineen avulla.

Olipa neutronitähdistä muunnettuja mustia aukkoja olemassa tai ei, Bhattacharya sanoo, että niiden etsiminen tarjoaa "joitakin merkittäviä rajoituksia pimeän aineen vuorovaikutuksille nukleonien kanssa". Seurauksena on, että havaittavien fuusioiden lisääntyvä määrä voisi antaa fyysikot arvioida erilaisia ​​pimeän aineen malleja.

Toinen mahdollisuus on, että GW 190814:ssä ja GW 190425:ssä havaitut pienimassaiset esineet ovat alkukantaisia ​​mustia aukkoja, jotka muodostuivat heti alkuräjähdyksen jälkeen. Jotkut teoriat kuitenkin viittaavat siihen, että ikimuistoiset mustat aukot voisivat olla osa pimeää ainetta - joten fuusioiden tutkiminen voisi antaa vielä enemmän tietoa pimeän aineen luonteesta.

Gravitaatioaaltojen käytön tärkein etu pimeän aineen todisteiden etsimisessä on todellakin se, että se on herkin keino havaita pimeän aineen heikkoja ei-gravitaatiovuorovaikutuksia normaalin aineen kanssa.

Tämä johtuu siitä, että gravitaatioaaltojen havainnointi ei ole "neutrino-lattian" alainen, mikä rajoittaa kokeita, jotka tähtäävät suoraan pimeän aineen havaitsemiseen. Lattia viittaa siihen, että neutriinot ovat merkittävä taustamelun lähde pimeän aineen ilmaisimissa, kuten esim. LUX-ZEPLIN.

"Ehdotamamme menetelmällä voidaan tutkia alueita, jotka ovat näiden maanpäällisten ilmaisimien ulottumattomissa rajoitetun altistuksen ja ilmaisimen herkkyyden vuoksi", Bhattacharya sanoo.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Fysiikan maailma