Zwaartekrachtgolven kunnen donkere materie onthullen die neutronensterren in zwarte gaten transformeert – Physics World

Tijdstempel: 19 september 2023 10:39 uur
Bronknooppunt: 2888677

Neutronenster
Transformatie: neutronensterren kunnen donkere materie verzamelen, waardoor ze in kleine zwarte gaten veranderen. (Met dank aan NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Een team van theoretische natuurkundigen in India heeft aangetoond dat zwaartekrachtsgolven de rol kunnen onthullen die donkere materie zou kunnen spelen bij het transformeren van neutronensterren in zwarte gaten.

Donkere materie is een hypothetische, onzichtbare substantie die wordt gebruikt om het merkwaardige gedrag van grootschalige structuren zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels te verklaren – gedrag dat niet alleen door de zwaartekracht kan worden verklaard.

Als het bestaat, moet donkere materie via de zwaartekracht interageren met gewone materie. Sommige modellen voorspellen echter dat donkere materie ook kan interageren met gewone materie via zeer zwakke niet-zwaartekrachtinteracties.

Zwak maar voldoende

“Niet-zwaartekrachtinteractie betekent dat [donkere materiedeeltjes] naar verwachting een soort interactie zullen hebben met protonen en neutronen,” Sulagna Bhattacharya vertelde Natuurkunde wereld. Bhattacharya is een afgestudeerde student aan het Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, en voegt eraan toe: “Deze interacties kunnen erg zwak zijn, maar ze kunnen voldoende genoeg zijn om ervoor te zorgen dat de donkere materiedeeltjes gevangen worden in een neutronenster.”

Neutronensterren zijn de dichte kernresten van massieve sterren die als supernova zijn geëxplodeerd. Ze zijn erg klein, misschien wel een tiental kilometer in doorsnee, maar met een massa groter dan die van de zon. De kern van een neutronenster is zo compact dat dit de kans op interacties tussen normale materie en donkere materie zou kunnen vergroten.

De maximale theoretische massa die een neutronenster kan hebben is 2.5 zonsmassa, maar in de praktijk zijn de meeste veel kleiner, ongeveer 1.4 zonsmassa. Neutronensterren met een massa groter dan 2.5 zonsmassa zullen door de zwaartekracht instorten en zwarte gaten vormen.

De kloof dichten

Zwarte gaten met een stellaire massa kunnen ook rechtstreeks ontstaan ​​uit supernova's (explosies van grote sterren), maar theoretische modellen hebben gesuggereerd dat zwarte gaten niet zouden mogen bestaan ​​bij een massa van 2 tot 5 zonsmassa. Tot voor kort werd dit ondersteund door observationeel bewijs. Vanaf 2015 onthulden waarnemingen van zwaartekrachtsgolven afkomstig van de samensmelting van zwart-gatparen echter het bestaan ​​van zwarte gaten binnen deze massakloof.

Bijvoorbeeld GW 190814 was een zwaartekrachtgolfgebeurtenis die in 2019 werd gedetecteerd en waarbij een object met een massa tussen 2.50 en 2.67 zonsmassa betrokken was. Een andere mysterieuze gebeurtenis was GW 190425, ook gedetecteerd in 2019, waarbij het gecombineerde object een massa van 3.4 zonsmassa's had. Dit is een aanzienlijk hogere totale massa dan enig bekend binair neutronenstersysteem.

Nu Bhattacharya, haar supervisor Basudeb DasguptaPlus Ranjan Laha van het Indian Institute of Science en Anupam Ray van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben gesuggereerd dat de ophoping van donkere materie in de kern van een neutronenster de kerndichtheid zou vergroten tot het punt waarop deze instort tot een miniatuur zwart gat. Dit zwarte gat zou dan groeien en de neutronenster overspoelen. Het resultaat zou een zwart gat zijn met een lager dan verwachte massa. En de detectie van dergelijke zwarte gaten met een lage massa zou verleidelijk bewijs zijn voor de donkere materie.

“Astrofysisch exotisch”

‘Deze compacte objecten zouden astrofysisch exotisch zijn’, zegt Bhattacharya, hoofdauteur van een artikel waarin deze hypothese wordt beschreven. Physical Review Letters. In hun artikel worden GW 190814 en GW 190425 voorgesteld als fusies waarbij zwarte gaten betrokken zouden kunnen zijn die met behulp van donkere materie zijn gemaakt.

Of er nu wel of niet zwarte gaten bestaan ​​die zijn omgezet uit neutronensterren, Bhattacharya zegt dat het zoeken naar deze “enkele significante beperkingen zal opleveren voor de interacties van donkere materie met nucleonen”. Als gevolg hiervan zou het groeiende aantal waargenomen fusies natuurkundigen in staat kunnen stellen verschillende modellen van donkere materie te evalueren.

Een andere mogelijkheid is dat de objecten met een lage massa die in GW 190814 en GW 190425 worden waargenomen, oorspronkelijke zwarte gaten zijn die in de onmiddellijke nasleep van de oerknal zijn ontstaan. Sommige theorieën suggereren echter dat oorspronkelijke zwarte gaten een onderdeel van donkere materie zouden kunnen zijn. Het bestuderen van fusies zou dus nog meer informatie kunnen opleveren over de aard van donkere materie.

Het belangrijkste voordeel van het gebruik van zwaartekrachtgolven bij het zoeken naar bewijs voor donkere materie is dat dit het meest gevoelige middel is dat we hebben voor het detecteren van de zwakke niet-zwaartekrachtinteracties van donkere materie met normale materie.

Dit komt omdat het waarnemen van zwaartekrachtgolven niet onderhevig is aan de ‘neutrinovloer’, die experimenten beperkt die gericht zijn op het direct detecteren van donkere materie. De vloer verwijst naar het feit dat neutrino's een belangrijke bron van achtergrondruis zijn in detectoren voor donkere materie, zoals LUX-ZEPLIN.

“De door ons voorgestelde methode kan de gebieden onderzoeken die buiten het bereik van deze aardse detectoren liggen vanwege de beperkte blootstelling en detectorgevoeligheid”, zegt Bhattacharya.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld