Gravitacijski valovi bi lahko razkrili temno snov, ki spreminja nevtronske zvezde v črne luknje – Svet fizike

Časovni žig: 19. september 2023 10
Izvorno vozlišče: 2888677

Nevtronska zvezda
Transformacija: nevtronske zvezde lahko zbirajo temno snov, ki jih spremeni v majhne črne luknje. (Z dovoljenjem: NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Skupina teoretičnih fizikov v Indiji je pokazala, da bi lahko gravitacijski valovi razkrili vlogo, ki bi jo lahko imela temna snov pri preoblikovanju nevtronskih zvezd v črne luknje.

Temna snov je hipotetična, nevidna snov, ki se uporablja za razlago nenavadnega obnašanja velikih struktur, kot so galaksije in jate galaksij – obnašanja, ki ga ni mogoče razložiti zgolj z gravitacijo.

Če obstaja, mora temna snov medsebojno delovati z navadno snovjo prek gravitacije. Vendar pa nekateri modeli predvidevajo, da bi lahko temna snov medsebojno delovala tudi z navadno snovjo prek zelo šibkih negravitacijskih interakcij.

Šibko, a zadostno

"Negravitacijska interakcija pomeni, da se od [delcev temne snovi] pričakuje nekakšna interakcija s protoni in nevtroni," Sulagna Bhattacharya Rekel Svet fizike. Bhattacharya je podiplomski študent na Inštitutu za temeljne raziskave Tata v Mumbaju, ki dodaja: "Te interakcije so lahko zelo šibke, vendar so morda dovolj, da omogočijo, da se delci temne snovi ujamejo v nevtronsko zvezdo."

Nevtronske zvezde so gosti ostanki jedra masivnih zvezd, ki so eksplodirale kot supernove. So zelo majhne, ​​morda ducat kilometrov v premeru, vendar z maso večjo od Sonca. Jedro nevtronske zvezde je tako gosto, da bi lahko povečalo verjetnost interakcij med normalno in temno snovjo.

Največja teoretična masa, ki jo lahko ima nevtronska zvezda, je 2.5 sončne mase, v praksi pa je večina veliko manjša, okoli 1.4 sončne mase. Nevtronske zvezde, ki so večje od 2.5 sončne mase, bodo podvržene gravitacijskemu kolapsu, da bodo nastale črne luknje.

Zapiranje vrzeli

Črne luknje z zvezdno maso lahko nastanejo tudi neposredno iz supernov (eksplozije velikih zvezd), vendar je teoretično modeliranje pokazalo, da črne luknje ne bi smele obstajati pri 2–5 sončnih masah. Do nedavnega so to podprli dokazi opazovanj. Vendar pa so z začetkom leta 2015 opazovanja gravitacijskih valov iz združitev parov črnih lukenj razkrila obstoj črnih lukenj znotraj te masne vrzeli.

Na primer, GW 190814 je bil dogodek gravitacijskih valov, zaznan leta 2019, ki je vključeval objekt z med 2.50–2.67 sončne mase. Še en skrivnosten dogodek je bil GW 190425, prav tako zaznan leta 2019, pri čemer je imel kombinirani objekt maso 3.4 sončne mase. To je znatno večja skupna masa kot kateri koli znani binarni sistem nevtronskih zvezd.

Zdaj Bhattacharya, njen nadzornik Basudeb Dasgupta, Plus Ranjan Laha z Indijskega inštituta za znanost in Anupam Ray s kalifornijske univerze v Berkeleyju so predlagali, da bi temna snov, ki se kopiči v jedru nevtronske zvezde, povečala gostoto jedra do te mere, da se sesede v miniaturno črno luknjo. Ta črna luknja bi se nato povečala in zajela nevtronsko zvezdo. Rezultat bi bila črna luknja z manjšo maso od pričakovane. In odkrivanje tako nizko masnih črnih lukenj bi bil osupljiv dokaz za temno snov.

“Astrofizično eksotično”

"Ti kompaktni objekti bi bili astrofizično eksotični," pravi Bhattacharya, ki je glavni avtor prispevka, ki opisuje to hipotezo v Pisni pregledi fizike. Njihov dokument navaja GW 190814 in GW 190425 kot združitvi, ki bi lahko vključevali črne luknje, ki so nastale s pomočjo temne snovi.

Ne glede na to, ali črne luknje, pretvorjene iz nevtronskih zvezd, obstajajo ali ne, Bhattacharya pravi, da bo njihovo iskanje zagotovilo "nekaj pomembnih omejitev za interakcije temne snovi z nukleoni". Posledično bi lahko naraščajoče število opaženih združitev omogočilo fizikom, da ocenijo različne modele temne snovi.

Druga možnost je, da so objekti z majhno maso, opaženi v GW 190814 in GW 190425, prvobitne črne luknje, ki so nastale takoj po velikem poku. Vendar pa nekatere teorije kažejo, da bi lahko bile prvotne črne luknje sestavni del temne snovi – tako bi preučevanje združitev lahko zagotovilo še več informacij o naravi temne snovi.

Dejansko je ključna prednost uporabe gravitacijskih valov za iskanje dokazov za temno snov, da je to najbolj občutljivo sredstvo, ki ga imamo za odkrivanje šibkih negravitacijskih interakcij temne snovi z normalno snovjo.

To je zato, ker opazovanje gravitacijskih valov ni podvrženo "nevtrinskemu dnu", kar omejuje poskuse, katerih cilj je neposredno zaznavanje temne snovi. Tlo se nanaša na dejstvo, da so nevtrini pomemben vir hrupa v ozadju v detektorjih temne snovi, kot je npr. LUX-ZEPLIN.

»Metoda, ki smo jo predlagali, lahko preiskuje področja, ki so izven dosega teh zemeljskih detektorjev zaradi omejene izpostavljenosti in občutljivosti detektorjev,« pravi Bhattacharya.

Časovni žig:

Več od Svet fizike