kozmos.hr
Znanost

Otkrivanje tamne tvari pomoću neutronskih zvijezda

objavljeno

Za potrebe potrage za tamnom tvari možda će nam trebati detektor veći nego što ga možemo izgraditi na Zemlji, ali u tome nam mogu pomoći neutronske zvijezde.

Potraga za otkrivanjem prirode tamne tvari jedan je od najvećih izazova u znanosti današnjice, a ključ za konačno razumijevanje ove tajanstvene tvari možda leži u zvijezdama.

Ili da budemo precizni,u jednoj posebnoj vrsti zvijezda – neutronskim zvijezdama.

Do sada su znanstvenici mogli zaključiti da tamna tvar uistinu postoji, ali je nisu izravno promatrali. Zapravo otkrivanje čestica tamne tvari u eksperimentima na Zemlji je težak zadatak, jer su interakcije čestica tamne tvari s običnom materijom iznimno rijetke.

Da bismo tražili ove nevjerojatno rijetke signale, potreban nam je vrlo veliki detektor – možda toliko velik da ga je nemoguće napraviti na Zemlji. Međutim, priroda nudi alternativnu opciju u obliku neutronskih zvijezda – cijela neutronska zvijezda može djelovati kao ultimativni detektor tamne tvari.

U istraživanju objavljenom u Physical Review Letters, utvrđeno je kako mnogo točnije koristiti informacije dobivene ovim jedinstvenim prirodnim detektorima tamne tvari.

Neutronske zvijezde su najgušće zvijezde za koje se zna da postoje i nastaju kada zvijezde divovi umiru u eksplozijama supernova.

Ove zvijezde su ‘kozmički laboratoriji’, omogućavaju nam da proučavamo kako se tamna tvar ponaša u ekstremnim uvjetima koji se ne mogu replicirati na Zemlji.

Tamna tvar vrlo slabo djeluje s običnom materijom. Međutim, neutronske zvijezde su toliko guste da bi mogle uhvatiti sve čestice tamne tvari koje prolaze kroz njih.

Tim astronoma istražuje ono što bi mogli biti prvi trenuci nastanka crnih rupa i neutronskih zvijezda

Teoretski, čestice tamne tvari bi se sudarile s neutronima u zvijezdi, izgubile energiju i postale gravitacijski zarobljene. S vremenom bi se čestice tamne tvari nakupile u jezgri zvijezde. Očekuje se da će to zagrijati stare, hladne, neutronske zvijezde do razine koja bi mogla biti dostupna budućim promatranjima. U ekstremnim slučajevima, nakupljanje tamne tvari može izazvati kolaps zvijezde u crnu rupu.

To znači da nam neutronske zvijezde mogu omogućiti ispitivanje određenih vrsta tamne tvari koju bi bilo teško ili nemoguće promatrati u eksperimentima na Zemlji.

Na Zemlji eksperimenti s tamnom tvari traže sićušne signale nuklearnog trzaja, uzrokovane nevjerojatno rijetkim sudarima sporih čestica tamne tvari. Za usporedbu, jako gravitacijsko polje neutronske zvijezde ubrzava tamnu tvar do kvazirelativističkih brzina, što rezultira mnogo većim energetskim sudarima.

Međutim, čestice tamne tvari teoretski mogu biti zarobljene u zvijezdama i planetima u znatnim količinama, bez obzira koliko su lagane ili teške.

Ključni izazov u korištenju neutronskih zvijezda za otkrivanje tamne tvari je osigurati da proračuni koje znanstvenici koriste u potpunosti uzmu u obzir jedinstveno okruženje zvijezde. Iako se hvatanje tamne tvari u neutronskim zvijezdama proučavalo desetljećima, postojeći izračuni propustili su važne fizičke učinke.

Zato je tim krenuo u poboljšavanje izračuna stope hvatanja tamne tvari – to jest, koliko se brzo tamna tvar akumulira u neutronskim zvijezdama. To je značajno promjenilo rezultate.

Istraživanje uzima u obzir strukturu nukleona, umjesto da neutrone tretira kao točkaste čestice, i uključuje učinke jakih sila između nukleona, umjesto da modelira neutrone kao slobodni plin čestica.

Ovo novo istraživanje uvelike povećava točnost i robusnost naših procjena stope hvatanja tamne tvari. To nam otvara put da bolje odredimo snagu interakcije tamne tvari s običnom materijom.

U konačnici, dokazi (ili nedostatak dokaza) o nakupljanju tamne tvari u zvijezdama pružili bi vrijedne naznake o tome gdje treba usmjeriti eksperimente na Zemlji, pomažući tako u otključavanju misterije tamne tvari.

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram-t.me/kozmoshr

Izvori:

  •  “Nucleon Structure and Strong Interactions in Dark Matter Capture in Neutron Stars” by Nicole F. Bell, Giorgio Busoni, Theo F. Motta, Sandra Robles, Anthony W. Thomas and Michael Virgato, 10 September 2021, Physical Review Letters.
  • Nicole Bell (1. studenog 2021.), Using neutron stars to detect dark matter, phys.org