Гравітаційні хвилі можуть виявити темну матерію, яка перетворює нейтронні зірки на чорні діри – Physics World

Мітка часу: 19 вересня 2023 р., 10:39
Вихідний вузол: 2888677

Нейтронна зірка
Трансформація: нейтронні зірки можуть накопичувати темну матерію, яка перетворює їх на маленькі чорні діри. (З дозволу NASA Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

Команда фізиків-теоретиків з Індії показала, що гравітаційні хвилі можуть виявити роль темної матерії в перетворенні нейтронних зірок на чорні діри.

Темна матерія — це гіпотетична невидима субстанція, яка використовується для пояснення дивної поведінки великих структур, таких як галактики та скупчення галактик, — поведінки, яку неможливо пояснити лише гравітацією.

Якщо вона існує, темна матерія повинна взаємодіяти зі звичайною матерією через гравітацію. Однак деякі моделі передбачають, що темна матерія також може взаємодіяти зі звичайною через дуже слабкі негравітаційні взаємодії.

Слабкий, але достатній

«Негравітаційна взаємодія означає, що очікується, що [частинки темної матерії] будуть мати певний вид взаємодії з протонами та нейтронами», Сулагна Бхаттачарья сказав Світ фізики. Бхаттачарія є аспірантом Інституту фундаментальних досліджень Тата в Мумбаї, який додає: «Ці взаємодії можуть бути дуже слабкими, але їх може бути достатньо, щоб дозволити частинкам темної матерії потрапити всередину нейтронної зірки».

Нейтронні зірки — це щільні залишки ядра масивних зірок, які вибухнули як наднові. Вони дуже малі, можливо, десятки кілометрів у поперечнику, але мають масу більшу, ніж Сонце. Ядро нейтронної зірки настільки щільне, що може збільшити ймовірність взаємодії між нормальною матерією та темною матерією.

Максимальна теоретична маса, яку може мати нейтронна зірка, становить 2.5 маси Сонця, але на практиці більшість з них набагато менша, приблизно 1.4 маси Сонця. Нейтронні зірки, маса яких перевищує 2.5 маси Сонця, зазнають гравітаційного колапсу з утворенням чорних дір.

Закриття розриву

Чорні діри зоряної маси також можуть утворюватися безпосередньо з наднових (вибухів великих зірок), але теоретичне моделювання припустило, що чорні діри не повинні існувати на 2–5 сонячних масах. До недавнього часу це підтверджувалося спостереженнями. Однак, починаючи з 2015 року, спостереження за гравітаційними хвилями від злиття пар чорних дір виявили існування чорних дір у цьому розриві мас.

Наприклад, GW 190814 була гравітаційно-хвильова подія, зареєстрована в 2019 році, яка включала об’єкт із масою Сонця від 2.50 до 2.67. Ще одна загадкова подія GW 190425, також виявлений у 2019 році, де комбінований об’єкт мав масу 3.4 маси Сонця. Це значно вища загальна маса, ніж у будь-якої відомої подвійної системи нейтронних зірок.

Тепер Бхаттачарья, її керівник Басудеб Дасгупта, плюс Ранджан Лаха Індійського інституту науки та Анупам Рей з Каліфорнійського університету в Берклі припустили, що темна матерія, яка накопичується в ядрі нейтронної зірки, збільшить щільність ядра до такої міри, що воно зруйнується в мініатюрну чорну діру. Потім ця чорна діра виросте і поглине нейтронну зірку. Результатом буде чорна діра з меншою, ніж очікувалося, масою. І виявлення таких малих чорних дір було б спокусливим доказом темної матерії.

«Астрофізична екзотика»

«Ці компактні об’єкти були б астрофізично екзотичними», — каже Бхаттачарія, який є провідним автором статті, що описує цю гіпотезу в Physical Review Letters,. У їхній статті йдеться про злиття GW 190814 і GW 190425, які могли включати чорні діри, створені за допомогою темної матерії.

Незалежно від того, чи існують чорні діри, утворені з нейтронних зірок, чи ні, Бхаттачарія каже, що їх пошук забезпечить «деякі значні обмеження на взаємодію темної матерії з нуклонами». У результаті зростаюча кількість спостережуваних злиттів може дозволити фізикам оцінити різні моделі темної матерії.

Інша можливість полягає в тому, що об’єкти малої маси, які спостерігаються в GW 190814 і GW 190425, є первісними чорними дірами, які утворилися відразу після Великого вибуху. Однак деякі теорії припускають, що первісні чорні діри можуть бути компонентом темної матерії, тому вивчення злиття може надати ще більше інформації про природу темної матерії.

Дійсно, ключова перевага використання гравітаційних хвиль для пошуку доказів темної матерії полягає в тому, що це найбільш чутливий засіб, який ми маємо для виявлення слабких негравітаційних взаємодій темної матерії зі звичайною матерією.

Це пояснюється тим, що спостереження за гравітаційними хвилями не залежить від «поверху нейтрино», що обмежує експерименти, спрямовані на пряме виявлення темної матерії. Підлога стосується того факту, що нейтрино є значним джерелом фонового шуму в детекторах темної матерії, таких як ЛЮКС-ЗЕПЛІН.

«Запропонований нами метод може досліджувати регіони, які знаходяться за межами досяжності цих наземних детекторів через обмежений вплив і чутливість детектора», — говорить Бхаттачарія.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики