Forskere siger, at neutronstjerner er nøglen til at forstå undvigende mørkt stof

Forskere er måske et skridt tættere på at låse op for et af universets store mysterier efter at have beregnet, at neutronstjerner kan være nøglen til at hjælpe os med at forstå undvigende mørkt stof.

I et papir udgivet i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , beregnede fysikere fra ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics, ledet af University of Melbourne, at energi, der overføres, når mørkt stof partikler kolliderer og udsletter inde i kolde døde neutronstjerner, kan varme stjernerne op meget hurtigt.

Det var tidligere antaget, at denne energioverførsel kunne tage meget lang tid, i nogle tilfælde længere end universets alder, hvilket gør denne opvarmning irrelevant.

Professor Nicole Bell fra University of Melbourne sagde, at de nye beregninger for første gang viser, at det meste af energien ville blive deponeret på få dage.

"Søgen efter mørkt stof er en af ​​de største detektivhistorier i videnskaben. Mørkt stof udgør 85 procent af stoffet i vores univers, men alligevel kan vi ikke se det. Mørkt stof interagerer ikke med lys - det gør det ikke absorberer lys, det reflekterer ikke lys, det udsender ikke lys.

"Dette betyder, at vores teleskoper ikke direkte kan observere det, selvom vi ved, at det eksisterer. I stedet fortæller dets tyngdekraft på objekter, vi kan se, os, at det skal være der.

"Én ting er teoretisk at forudsige mørkt stof, men det er en anden ting at eksperimentelt observere det. Eksperimenter på Jorden er begrænset af de tekniske udfordringer ved at lave tilstrækkeligt store detektorer. Neutronstjerner fungerer dog som enorme naturlige mørkstofdetektorer, som har har indsamlet mørkt stof i astronomisk lange tidsskalaer, så de er et godt sted for os at koncentrere vores indsats," sagde professor Bell.

Neutronstjerner dannes, når en supermassiv stjerne løber tør for brændstof og kollapser. De har en masse, der ligner vores sols, presset ind i en kugle, der kun er 20 km bred. Hvis de er tættere, bliver de til sorte huller.

"Mens mørkt stof er den dominerende stoftype i universet, er det meget svært at opdage, fordi dets interaktioner med almindeligt stof er meget svagt. Faktisk så svagt, at mørkt stof kan passere lige gennem Jorden eller endda gennem jorden. søn.

"Men neutronstjerner er forskellige - de er så tætte, at mørkt stof partikler er meget mere tilbøjelige til at interagere med stjernen. Hvis mørkt stof partikler kolliderer med neutroner i stjernen, vil de miste energi og blive fanget. Over tid ville dette føre til en ophobning af mørkt stof i stjernen," sagde professor Bell.

University of Melbourne Ph.D. kandidat Michael Virgato sagde, at dette forventes at varme gamle, kolde neutronstjerner op til et niveau, der kan være inden for rækkevidde af fremtidige observationer, eller endda udløse stjernens kollaps til et sort hul.

"Hvis energioverførslen sker hurtigt nok, ville neutronstjernen blive varmet op. For at dette kan ske, skal det mørke stof gennemgå mange kollisioner i stjernen, der overfører mere og mere af det mørke stofs energi, indtil til sidst al energien har blevet deponeret i stjernen," sagde Mr. Virgato.

Det har tidligere været ukendt, hvor lang tid denne proces ville tage, fordi efterhånden som energien i de mørke stofpartikler bliver mindre og mindre, er der mindre og mindre sandsynlighed for, at de interagerer igen. Som et resultat ansås det at overføre al energien tager meget lang tid - nogle gange længere end universets alder. I stedet beregnede forskerne, at 99 % af energien overføres på få dage.

"Dette er gode nyheder, fordi det betyder, at mørkt stof kan opvarme neutronstjerner til et niveau, der potentielt kan detekteres. Som følge heraf ville observationen af ​​en kold neutronstjerne give vital information om interaktionerne mellem mørkt og regulært stof og kaste lys. om arten af ​​dette undvigende stof.

"Hvis vi skal forstå mørkt stof - som er overalt - er det afgørende, at vi bruger enhver teknik til vores rådighed for at finde ud af, hvad det skjulte stof i vores univers faktisk er," sagde Mr. Virgato.

Denne forskning blev udført af et hold af internationale eksperter ved ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics, herunder professor Nicole Bell og Michael Virgato fra University of Melbourne, Dr. Giorgio Busoni fra Australian National University og Dr. Sandra Robles fra Fermi National Accelerator Laboratory, U.S...

Flere oplysninger: Nicole F. Bell et al., Thermalization and annihilation of dark matter in neutron stars, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). DOI:10.1088/1475-7516/2024/04/006

Leveret af University of Melbourne