Gwiazdy neutronowe są kluczem do zrozumienia ciemnej materii

Astronomowie mogą być o krok bliżej do odkrycia jednej z największych tajemnic Wszechświata po tym, jak obliczyli, że gwiazdy neutronowe mogą być podstawą do zrozumienia nieuchwytnej ciemnej materii.

Astrofizycy z ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics, kierowanego przez University of Melbourne, obliczyli, że energia przekazywana podczas zderzenia i anihilacji cząstek ciemnej materii wewnątrz zimnych, martwych gwiazd neutronowych może bardzo szybko je podgrzać. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Wcześniej naukowcy sądzili, że ten transfer energii może trwać bardzo długo, w niektórych przypadkach dłużej niż wiek samego Wszechświata, co czyni to podgrzewanie nieistotnym, z racji długości procesu.

„Poszukiwanie ciemnej materii jest jedną z największych historii detektywistycznych w nauce. Ciemna materia stanowi 85 procent materii w naszym Wszechświecie, ale nie możemy jej zobaczyć. Ciemna materia nie wchodzi w interakcje ze światłem – nie pochłania go, nie odbija ani nie emituje. Oznacza to, że nasze teleskopy nie mogą go bezpośrednio zaobserwować, mimo że wiemy o jego istnieniu. Zamiast tego, jej przyciąganie grawitacyjne do obiektów, które widzimy, mówi nam, że musi tam być” – tłumaczy profesor Nicole Bell z University of Melbourne.

„Teoretyczne przewidywanie ciemnej materii to jedno, ale jej eksperymentalne zaobserwowanie to zupełnie inna sprawa. Eksperymenty na Ziemi są ograniczone wyzwaniami technicznymi związanymi z wykonaniem wystarczająco dużych detektorów. Jednak gwiazdy neutronowe działają jak ogromne naturalne wykrywacze ciemnej materii, które zbierają ją przez astronomicznie długi czas, więc są dobrym miejscem, w którym możemy skoncentrować nasze wysiłki” – dodaje naukowiec.

Jak tłumaczą astronomowie, gwiazdy neutronowe powstają, gdy supermasywnej gwieździe kończy się paliwo i zapada się ona pod wpływem własnej grawitacji. Powstałe przez to obiekty mają masę podobną do Słońca, ale jest ona ściśnięta w kulę o szerokości 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. Tak słabe, że może ona przechodzić 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. Jeśli cząstki ciemnej materii zderzą się z neutronami w gwieździe, stracą energię i zostaną uwięzione. Z czasem doprowadziłoby to do akumulacji ciemnej materii w gwieździe” – zaznacza profesor Bell.

Michael Virgato, z University of Melbourne, twierdzi, że możliwe jest podgrzanie starych, zimnych gwiazd neutronowych przez ciemną materię do poziomu, który astronomowie będą mogli zaobserwować, a nawet spowodować to, że obiekt zapadnie się w czarną dziurę.

„Jeśli 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 zostanie ona zdeponowana w gwieździe” – zaznacza Virgato.

Jak tłumaczą badacze, wcześniej nie było wiadomo, jak długo może trwać ten proces, ponieważ w miarę jak energia cząstek ciemnej materii zmniejsza się, prawdopodobieństwo ich ponownej interakcji spada. Naukowcy uważali, że przeniesienie całej energii zajmie bardzo dużo czasu – czasami dłużej niż wiek Wszechświata (około 13,82 mld lat). Jednak w nowym badaniu astrofizycy obliczyli, że 99 proc. energii jest przekazywane w ciągu zaledwie kilku dni.

„To dobra wiadomość, ponieważ oznacza, że ciemna materia może podgrzać gwiazdy neutronowe do poziomu, który będziemy mogli 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. Jeśli mamy zrozumieć ciemną materię – która jest wszędzie – niezwykle ważne jest, abyśmy wykorzystali każdą dostępną nam technikę, aby dowiedzieć się, czym tak naprawdę jest ukryta część naszego Wszechświata” – podsumowuje Virgato.

Emil Gołoś