Нейтронные звезды могут стать ключом к пониманию темной материи

Темная материя, неизвестная субстанция, составляющая 85% материи Вселенной, остается загадкой для современной физики. Ее неуловимая природа, которую можно обнаружить только благодаря гравитационному влиянию, представляет собой серьезную проблему для нашего понимания. Однако недавние исследования показывают, что нейтронные звезды могут содержать жизненно важные подсказки для разгадки тайн темной материи.

Темная материя

Темная материя фундаментально отличается от обычной (барионной) видимой материи, из которой состоят звезды, планеты и все во Вселенной. Она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитное излучение, включая свет.

Эта характеристика делает ее невидимой для телескопов и других устройств, используемых для обычных астрономических наблюдений. Астрономические данные твердо подтверждают наличие невидимой темной материи. Это происходит потому, что галактики вращаются со слишком большими скоростями, чтобы их можно было объяснить только гравитационной силой видимой материи.

Этот разрыв указывает на невидимую массу, известную как темная материя, обеспечивающая дополнительную гравитационную силу, необходимую для сохранения галактик в целости и сохранности. Понимание точного состава и того, как ведет себя темная материя, имеет важное значение для уточнения нашего понимания Вселенной.

Космологические модели, описывающие структуру и эволюцию Вселенной, в значительной степени полагаются на свойства темной материи.

Нейтронные звезды и обнаружение темной материи

Нейтронные звезды возникают в результате резкого коллапса ядра массивной звезды после того, как она исчерпала свое ядерное топливо. Во время коллапса огромное гравитационное давление преодолевает внешнее, создаваемое ядерным синтезом, сжимая ядро ​​звезды до необычайной плотности.

Нейтронные звезды, как следует из названия, состоят в основном из нейтронов. Нейтроны — это субатомные частицы без электрического заряда, немного тяжелее протонов.

Такое чрезвычайное сжатие делает нейтронные звезды одними из самых компактных объектов во Вселенной. Они вмещают массу, подобную массе нашего Солнца, в сферу диаметром всего 15 — 20 километров.

Исключительная плотность нейтронных звезд предоставляет уникальную возможность для потенциального обнаружения темной материи. Исследователи из Центра передового опыта в области физики частиц темной материи ARC предполагают, что частицы темной материи, несмотря на свою неуловимую природу, могут взаимодействовать с плотно упакованными нейтронами внутри этих звездных остатков.

Эти взаимодействия могут привести к тому, что частицы темной материи потеряют кинетическую энергию, что будет эффективно удерживать их внутри нейтронной звезды. В течение длительных периодов времени постепенное накопление захваченных частиц темной материи может привести к заметному повышению температуры нейтронной звезды.

Такой потенциальный эффект нагрева открывает новый путь для изучения темной материи. Ученые могли бы обнаружить следы темной материи, наблюдая за температурой нейтронных звезд. Непосредственное измерение этих эффектов позволило бы лучше понять природу и поведение темной материи — вещества, до сих пор окутанного тайной.

Ранее принятые модели предполагали, что теоретический нагрев нейтронных звезд из-за захваченной темной материи будет происходить в невероятно огромных временных масштабах, потенциально превышающих предполагаемый возраст самой Вселенной.

Столь огромные сроки сделали обнаружение такого нагрева серьезной проблемой, если не совсем невозможной. Расчеты нового исследования показывают, что значительная часть, а возможно, и большая часть передачи энергии от частиц темной материи, захваченных в нейтронных звездах, может произойти всего за несколько дней.

Это открытие резко сокращает предполагавшиеся ранее временные рамки. Более того, расчеты предлагают гораздо более реалистичную возможность обнаружить воздействие темной материи на нейтронные звезды.

Нейтронные звезды, перенос энергии и темная материя

Быстрая передача энергии, предложенная в новом исследовании, имеет важное значение для нашей способности изучать темную материю. Если значительная часть передачи энергии произойдет в течение короткого периода времени, нейтронные звезды могут демонстрировать измеримое повышение температуры, связанное с присутствием темной материи.

Возможность непосредственно наблюдать эти тепловые сигнатуры предоставит бесценные данные о свойствах и поведении темной материи — вещества, которое до сих пор ускользало от окончательного обнаружения.

По сути, исследование предполагает, что нейтронные звезды могут функционировать как мощные космические лаборатории для изучения темной материи, предлагая новый путь для разгадки тайн этого загадочного компонента Вселенной.

Работа была опубликована в Journal of Cosmology and Astroarticle Physics.