Postoji vrsta supernova koje gotovo nitko ne spominjem one koje ne nastaju u golemim zvijezdama, već u onima “srednje težine”, tek osam do deset puta masivnijima od Sunca. U njihovim jezgrama događa se tihi kvantni preokret: elektroni se hvataju u jezgre atoma, pritisak koji održava ravnotežu nestaje, i zvijezda se urušava. Upravo taj trenutak, tvrde istraživači sa Sveučilišta u Pisi i instituta INFN-Pisa, mogao bi biti ključan za razumijevanje jedne od najvećih zagonetki moderne fizike: tamne tvari.
Njihov novi model pokazuje da bi prisutnost čak i male količine tamne tvari mogla promijeniti tijek takvih eksplozija, čineći ih slabijima, a njihove ostatke, neutronske zvijezde, neobično laganima. Ako je to točno, tamna bi tvar doslovno mogla utjecati na način na koji zvijezde umiru.
Kad tamna tvar uđe u jezgru
Supernove s hvatanjem elektrona (engl. electron-capture supernovae, ECSNe) javljaju se u zvijezdama koje razvijaju jezgru sastavljenu od kisika, neona i magnezija. Kada jezgrini elektroni počnu reagirati s atomskim jezgrama, kolaps postaje neizbježan. Zvijezda eksplodira, a preostaje neutronska zvijezda, objekt toliko gust da žličica njegova materijala na Zemlji teži milijarde tona.
Fizičar Ignazio Bombaci i njegov tadašnji student Domenico Scordino već su proučavali učinke tzv. asimetrične tamne tvari (ADM) na strukturu neutronskih zvijezda kada su naišli na rad japanskog tima Hiramatsua i suradnika iz 2021. godine. Taj je rad, objašnjava Bombaci, “predstavio prvi uvjerljiv opažački dokaz za postojanje ECSN-a, kroz supernovu SN2018zd, eksploziju kakvu su teoretski predvidjeli još 1980-ih Ken’ichi Nomoto i njegovi suradnici.”
U toj ideji Bombaci je odmah vidio nešto novo: ako u jezgru zvijezde koja će postati supernova prodre tamna tvar, mogla bi promijeniti granicu mase pri kojoj počinje hvatanje elektrona, a time i samu prirodu eksplozije. “To znači da bi tamna tvar mogla omogućiti stvaranje neutronskih zvijezda lakših od jedne Sunčeve mase, čak i ispod najmanje mase ikada izmjerene, 1,174 mase Sunca, kod pulsara PSR J0453+1559”, kaže Bombaci.
Slabije eksplozije, lakše zvijezde
Kako bi provjerili tu hipotezu, tim iz Pise razvio je numerički model u kojem se obična i tamna tvar promatraju kao dva fluida koji međusobno djeluju isključivo gravitacijom. “Koristili smo opći relativistički pristup dvostrukog fluida, koji omogućuje opis ravnoteže u sustavima gdje dvije komponente dijele zajedničko gravitacijsko polje”, objašnjava Scordino.
Običnu tvar predstavljali su bijeli patuljci bogati neonom, tipični preteče ECSN-a, opisani jednadžbama stanja koje uključuju hvatanje elektrona. Tamnu su tvar prikazali kao hladan plin čestica koje se ponašaju prema kvantnim pravilima, tzv. Fermijev plin, dok su unutrašnjost neutronske zvijezde opisali detaljnim modelom koji prati složenu interakciju među česticama u njezinoj gustoj jezgri.
Rješavanjem jednadžbi za različite udjele i mase tamne tvari istraživači su utvrdili kako njezina prisutnost mijenja gustoću jezgre i prag mase pri kojem dolazi do kolapsa. “Na taj smo način mogli povezati bijelog patuljka i njegovu neutronsku nasljednicu te izračunati kako tamna tvar smanjuje energiju eksplozije i dovodi do stvaranja neuobičajeno laganih neutronskih zvijezda”, kaže Scordino.
Rezultati su jasni: što je više tamne tvari u jezgri, to je eksplozija slabija. “Čak i mali udio tamne tvari može dovoljno komprimirati jezgru da izazove kolaps pri manjoj masi nego što se prije smatralo mogućim”, ističe Parmar, treći autor rada. “To otvara mogućnost formiranja zvijezda čija je masa znatno ispod onoga što predviđaju klasični modeli.”
Zvijezde kao laboratoriji tamne tvari
Ako je teorija točna, tada bi vrlo slabe supernove ili iznimno lagane neutronske zvijezde mogle biti svojevrsni “potpisi” tamne tvari u svemiru. Takvi bi objekti mogli pomoći znanstvenicima da neizravno detektiraju tvar koja čini većinu mase svemira, a koju još nismo izravno pronašli.
“Naše istraživanje pokazuje da zvjezdane eksplozije nisu samo pitanje nuklearne fizike, one mogu biti prirodni laboratoriji za proučavanje tamne tvari”, naglašava Parmar. “Zvijezde bi nam tako mogle pružiti novi prozor u jedno od najvećih otvorenih pitanja fizike.”
Sljedeći korak tima iz Pise jest usavršiti model uključivanjem realnijeg sastava bijelih patuljaka i različitih svojstava tamne tvari. “Zanima nas mogu li različite količine tamne tvari ostaviti opažljive tragove, primjerice, neuobičajeno slabe supernove ili vrlo lagane neutronske zvijezde, i hoće li ih budući teleskopi moći otkriti”, dodaju istraživači.
Njihov sljedeći cilj je spojiti teoriju i opažanja, usporediti rezultate modela s podacima koje prikupljaju teleskopi i detektori gravitacijskih valova. Na taj način žele otkriti ima li tamna tvar stvarnu ulogu u životu i smrti zvijezda. Ako se to potvrdi, svaka supernova mogla bi nositi tragove nevidljive tvari koja od početka oblikuje svemir.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
