Ett av de stora mysterierna med partiklar av mörk materia är om de interagerar med varandra. Vi vet fortfarande inte exakt vad mörk materia är. Vissa modeller hävdar att mörk materia endast interagerar gravitationsmässigt, men många fler hävdar att mörk materia partiklar kan kollidera med varandra, klumpa ihop sig och till och med sönderfalla till partiklar som vi kan se. Om så är fallet kan objekt med särskilt starka gravitationsfält som svarta hål, neutronstjärnor och vita dvärgar fånga och koncentrera mörk materia. Detta kan i sin tur påverka hur dessa objekt visas.
Som ett exempel tittar en studie på samspelet mellan mörk materia och neutronstjärnor. Studien publiceras på arXiv förtrycksserver.
Neutronstjärnor är gjorda av den mest täta materia i kosmos. Deras kraftfulla gravitationsfält kan fånga mörk materia och till skillnad från svarta hål kommer strålning från mörk materia inte att fångas bakom en händelsehorisont. Så neutronstjärnor är en perfekt kandidat för att studera mörk materiamodeller. För denna studie tittade teamet på hur mycket mörk materia en neutronstjärna kunde fånga, och hur sönderfallet av interagerande mörk materia partiklar skulle påverka dess temperatur.
Detaljerna beror på vilken specifik mörk materiamodell du använder. Istället för att ta upp variantmodeller tittade teamet på breda egenskaper. Specifikt fokuserade de på hur mörk materia och baryoner (protoner och neutroner) kan interagera, och om det skulle få mörk materia att fångas. Visst nog, för intervallet av möjliga interaktioner mellan baryon och mörk materia kan neutronstjärnor fånga mörk materia.
Teamet fortsatte sedan med att titta på hur mörk materia termalisering kunde inträffa. Med andra ord, när mörk materia fångas bör den frigöra värmeenergi till neutronstjärnan genom kollisioner och förintelse av mörk materia. Med tiden bör den mörka materien och neutronstjärnan nå en termisk jämvikt.
Hur snabbt detta sker beror på hur starkt partiklar samverkar, det så kallade spridningstvärsnittet. Teamet fann att termisk jämvikt nås ganska snabbt. För enkla skalära modeller av mörk materia kan jämvikt uppnås inom 10 000 år. För vektormodeller av mörk materia kan jämvikt inträffa på bara ett år. Oavsett modell kan neutronstjärnor nå termisk jämvikt på ett kosmiskt ögonblick.
Om denna modell är korrekt kan mörk materia spela en mätbar roll i neutronstjärnornas utveckling. Vi skulle till exempel kunna identifiera närvaron av mörk materia genom att observera neutronstjärnor som är varmare än förväntat. Eller kanske till och med särskilja olika mörk materiamodeller genom det övergripande spektrumet av neutronstjärnor.
Mer information: Nicole F. Bell et al, Thermalization and Annihilation of Dark Matter in Neutron Stars, arXiv (2023). DOI:10.48550/arxiv.2312.11892
Journalinformation: arXiv
Tillhandahålls av Universe Today
