Sammensmeltede bosonstjerner kunne forklare massiv sort hul-kollision og bevise eksistensen af ​​mørkt stof

Et internationalt hold af videnskabsmænd ledet af det galiciske institut for højenergifysik (IGFAE) og universitetet i Aveiro viser, at den tungeste sorte hul-kollision, der nogensinde er observeret, produceret af gravitationsbølgen GW190521, kan faktisk være noget endnu mere mystisk:sammensmeltningen af ​​to bosonstjerner. Dette ville være det første bevis på eksistensen af ​​disse hypotetiske objekter, som er en kandidat til mørkt stof, menes at udgøre 27% af massen i universet.

Gravitationsbølger er krusninger i rumtidens stof, der rejser med lysets hastighed. Disse stammer fra de mest voldelige begivenheder i universet, medbringer oplysninger om deres kilder. Siden 2015 har de to LIGO-detektorer i USA og Jomfru-detektoren i Cascina, Italien, har detekteret og fortolket gravitationsbølger. Til dato, disse detektorer har allerede observeret omkring 50 gravitationsbølgesignaler. Alle disse opstod i kollisioner og sammensmeltninger af sorte huller og neutronstjerner, giver fysikere mulighed for at uddybe viden om disse objekter.

Imidlertid, løftet om gravitationsbølger går meget længere end dette, da disse til sidst skulle give os beviser for tidligere uobserverede og endda uventede genstande, og kaste lys over aktuelle mysterier som mørkt stofs natur. Sidstnævnte kan evt. imidlertid, allerede er sket.

I september 2020, LIGO og Jomfru-samarbejdet (LVC) annoncerede til verden gravitationsbølgesignalet GW190521. Ifølge deres analyse, signalet var i overensstemmelse med kollisionen af ​​to tunge sorte huller, på 85 og 66 gange solens masse, som producerede et endeligt sort hul med 142 solmasser. Det resulterende sorte hul var det første af et nyt, tidligere uobserverede sorte hul-familier:sorte huller med mellemmasse. Denne opdagelse er af afgørende betydning, da sådanne sorte huller var det manglende led mellem to velkendte sorte hul-familier:sorte huller med stjernemasse, der dannes ved stjernernes kollaps, og supermassive sorte huller, der findes i centrum af næsten alle galakser, inklusive Mælkevejen.

Ud over, denne observation kom med en enorm udfordring. Hvis det, vi tror, ​​vi ved om, hvordan stjerner lever og dør, er korrekt, det tungeste af de kolliderende sorte huller (85 solmasser) kunne ikke dannes ved en stjernes kollaps ved slutningen af ​​dens levetid, hvilket åbner op for en række tvivl og muligheder om dens oprindelse.

I en artikel offentliggjort i dag i Fysiske anmeldelsesbreve , et hold af videnskabsmænd ledet af Dr. Juan Calderón Bustillo ved Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE), fælles center for universitetet i Santiago de Compostela og Xunta de Galicia, og Dr. Nicolás Sanchis-Gual, en postdoktor ved universitetet i Aveiro og Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), sammen med samarbejdspartnere fra University of Valencia, Monash University og The Chinese University of Hong Kong, har foreslået en alternativ forklaring på oprindelsen af ​​signalet GW190521:kollisionen af ​​to eksotiske objekter kendt som bosonstjerner, som er en af ​​de mest sandsynlige kandidater til at forklare mørkt stof. I deres analyse, holdet var i stand til at estimere massen af ​​en ny partikelbestanddel af disse stjerner, en ultralet boson med en masse milliarder af gange mindre end elektroner.

Holdet sammenlignede GW190521-signalet med computersimuleringer af boson-stjerne-fusioner, og fandt ud af, at disse faktisk forklarer dataene lidt bedre end analysen udført af LIGO og Jomfruen. Resultatet indebærer, at kilden ville have andre egenskaber end tidligere angivet. Dr. Calderón Bustillo siger, "Først, vi ville ikke længere tale om kolliderende sorte huller, hvilket eliminerer spørgsmålet om at håndtere et 'forbudt' sort hul. Sekund, fordi bosonstjernefusioner er meget svagere, vi udleder en meget tættere afstand end den estimerede af LIGO og Jomfruen. Dette fører til en meget større masse for det sidste sorte hul, på omkring 250 solmasser, så det faktum, at vi har været vidne til dannelsen af ​​et mellemmasse sort hul, forbliver sandt."

Dr. Nicolás Sanchis-Gual siger, "Bosonstjerner er objekter næsten lige så kompakte som sorte huller, men i modsætning til dem, ikke har en "no-return" overflade. Når de støder sammen, de danner en bosonstjerne, der kan blive ustabil, til sidst kollapser til et sort hul, og producerer et signal i overensstemmelse med hvad LIGO og Jomfruen observerede. I modsætning til almindelige stjerner, som er lavet af det, vi almindeligvis kender som materie, bosonstjerner består af det, vi kender som ultralette bosoner. Disse bosoner er en af ​​de mest tiltalende kandidater til at konstituere det, vi kender som mørkt stof."

Holdet fandt ud af, at selvom analysen har en tendens til at favorisere hypotesen om fusionerende sorte huller, en bosonstjernefusion foretrækkes faktisk af dataene, dog på en ikke-afsluttende måde. Prof. Jose A. Font fra University of Valencia siger, "Vores resultater viser, at de to scenarier næsten ikke kan skelnes i betragtning af dataene, selvom den eksotiske bosonstjernehypotese er lidt foretrukket. Det er meget spændende, da vores boson-stjerne model er, fra nu af, meget begrænset, og med forbehold for store forbedringer. En mere udviklet model kan føre til endnu større beviser for dette scenarie og vil også give os mulighed for at studere tidligere gravitationsbølgeobservationer under boson-stjerne-fusionsantagelsen."

Dette resultat ville ikke kun involvere den første observation af bosonstjerner, men også deres byggesten, en ny partikel kendt som en ultralet boson. Prof. Carlos Herdeiro fra University of Aveiro siger, "Et af de mest fascinerende resultater er, at vi faktisk kan måle massen af ​​denne formodede nye mørkstofpartikel, og at en værdi på nul kasseres med høj sikkerhed. Hvis det bekræftes af efterfølgende analyse af denne og andre gravitationsbølgeobservationer, vores resultat ville give det første observationsbevis for en længe søgt mørkt stof-kandidat."