Naukowcy mogą być o krok bliżej odkrycia jednej z największych tajemnic Wszechświata po tym, jak obliczyli, że gwiazdy neutronowe mogą być kluczem do zrozumienia ciemnej materii.
W artykule opublikowanym 4 kwietnia 2024 r. w czasopiśmie The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics fizycy z ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics pod kierownictwem Uniwersytetu w Melbourne wyliczyli, że energia uwalniana podczas zderzeń i anihilacji cząstek ciemnej materii wewnątrz zimnych, martwych gwiazd neutronowych może bardzo szybko podgrzać te gwiazdy.
Wcześniej sądzono, że ten transfer energii może trwać bardzo długo, w niektórych przypadkach dłużej niż wiek samego Wszechświata, co czyni to ogrzewanie nieistotnym.
Profesor Nicole Bell z Uniwersytetu w Melbourne powiedziała, że nowe obliczenia po raz pierwszy pokazują, że większość energii zostałaby zdeponowana w ciągu zaledwie kilku dni.
Poszukiwanie ciemnej materii to jedna z największych zagadek w nauce. Ciemna materia stanowi 85% materii w naszym Wszechświecie, ale nie możemy jej zobaczyć. Dzieje się tak dlatego, że ciemna materia nie wchodzi w interakcje ze światłem – nie pochłania go, nie odbija ani nie emituje. Oznacza to, że nasze teleskopy nie mogą jej bezpośrednio obserwować, mimo że wiemy o jej istnieniu. Zamiast tego, jej przyciąganie grawitacyjne do obiektów, które widzimy, mówi nam, że musi tam być.
Teoretyczne przewidywania ciemnej materii to jedno, ale jej eksperymentalna obserwacja to zupełnie inna sprawa. Eksperymenty na Ziemi są ograniczone wyzwaniami technicznymi związanymi z wykonaniem wystarczająco dużych detektorów. Jednak gwiazdy neutronowe działają jak ogromne naturalne detektory ciemnej materii, które zbierają ciemną materię przez astronomicznie długi czas, więc są dobrym miejscem, w którym możemy skoncentrować nasze wysiłki – powiedziała profesor Bell.
Gwiazdy neutronowe powstają, gdy supermasywnej gwieździe kończy się paliwo i zapada się. Mają masę podobną do masy naszego Słońca, ściśniętą w kule o średnicy zaledwie 20 km. Gdyby były gęstsze, stałyby się czarnymi dziurami.
Podczas gdy ciemna materia jest dominującym rodzajem materii we Wszechświecie, jest ona bardzo trudna do wykrycia, ponieważ jej interakcje ze zwykłą materią są bardzo słabe. W rzeczywistości tak słabe, że ciemna materia może przechodzić bezpośrednio przez Ziemię, a nawet przez Słońce.
Ale gwiazdy neutronowe są inne – są tak gęste, że prawdopodobieństwo interakcji cząstek ciemnej materii z gwiazdą jest znacznie większe. Jeżeli cząstki ciemnej materii zderzą się z neutronami w gwieździe, stracą energię i zostaną uwięzione. Z czasem doprowadziłoby to do akumulacji ciemnej materii w gwieździe – powiedziała prof. Bell.
Doktorant z Uniwersytetu w Melbourne, Michael Virgato, powiedział, że oczekuje się, że podgrzeje to stare, zimne gwiazdy neutronowe do poziomu, który może być w zasięgu przyszłych obserwacji, a nawet spowoduje zapadnięcie się gwiazd do czarnej dziury.
Jeżeli transfer energii nastąpi wystarczająco szybko, gwiazda neutronowa zostanie podgrzana. Aby tak się stało, ciemna materia musi przejść wiele zderzeń w gwieździe, przenosząc coraz więcej energii ciemnej materii, aż w końcu cała energia zostanie zdeponowana w gwieździe – powiedział Virgato.
Wcześniej nie było wiadomo, jak długo potrwa ten proces, ponieważ w miarę jak energia cząstek ciemnej materii staje się coraz mniejsza, prawdopodobieństwo ich ponownej interakcji jest coraz mniejsze. W rezultacie uważano, że przeniesienie całej energii zajmie bardzo dużo czasu – czasami dłużej niż wiek Wszechświata. Zamiast tego naukowcy obliczyli, że 99% energii jest przekazywana w ciągu zaledwie kilku dni.
To dobra wiadomość, ponieważ oznacza, że ciemna materia może ogrzać gwiazdy neutronowe do poziomu, który można potencjalnie wykryć. W rezultacie obserwacja zimnej gwiazdy neutronowej dostarczyłaby istotnych informacji na temat interakcji między ciemną i zwykłą materią, rzucając światło na naturę tej nieuchwytnej substancji.
Jeżeli mamy zrozumieć ciemną materię – która jest wszędzie – niezwykle ważne jest, abyśmy wykorzystali każdą dostępną nam technikę, aby dowiedzieć się, czym tak naprawdę jest ukryta materia naszego Wszechświata – powiedział Virgato.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Neutron stars are key to understanding dark matter
- Thermalization and annihilation of dark matter in neutron stars
Źródło: Centre Dark Matter
Na ilustracji: Wizja artystyczna gwiazdy neutronowej. Źródło: ARC
