Forskare kan vara ett steg närmare att låsa upp ett av universums stora mysterier efter att ha beräknat att neutronstjärnor kan ha en nyckel till att hjälpa oss att förstå svårfångad mörk materia.
I en artikel publicerad i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , beräknade fysiker från ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics, ledd av University of Melbourne, att energi som överförs när mörk materia partiklar kolliderar och förintar inuti kalla döda neutronstjärnor kan värma upp stjärnorna mycket snabbt.
Man trodde tidigare att denna energiöverföring kunde ta mycket lång tid, i vissa fall längre än universums ålder, vilket gör denna uppvärmning irrelevant.
Professor Nicole Bell vid University of Melbourne sa att de nya beräkningarna för första gången visar att det mesta av energin skulle deponeras på bara några dagar.
"Sökandet efter mörk materia är en av vetenskapens största deckare. Mörk materia utgör 85 procent av materien i vårt universum, men vi kan inte se det. Mörk materia interagerar inte med ljus - det gör det inte absorbera ljus, det reflekterar inte ljus, det avger inte ljus.
"Detta betyder att våra teleskop inte direkt kan observera det, även om vi vet att det finns. Istället säger dess gravitationskraft på föremål vi kan se oss att det måste finnas där.
"Det är en sak att teoretiskt förutsäga mörk materia, men det är en annan sak att experimentellt observera den. Experiment på jorden begränsas av de tekniska utmaningarna att göra tillräckligt stora detektorer. Neutronstjärnor fungerar dock som enorma detektorer av naturlig mörk materia, som har har samlat in mörk materia under astronomiskt långa tidsskalor, så de är ett bra ställe för oss att koncentrera våra ansträngningar," sa professor Bell.
Neutronstjärnor bildas när en supermassiv stjärna får slut på bränsle och kollapsar. De har en massa som liknar vår sol, inklämda i en boll som är bara 20 km bred. Om de blir tätare blir de svarta hål.
"Medan mörk materia är den dominerande typen av materia i universum, är den mycket svår att upptäcka eftersom dess interaktioner med vanlig materia är mycket svag. Så svag faktiskt att mörk materia kan passera rakt genom jorden, eller till och med genom jorden. sön.
"Men neutronstjärnor är olika – de är så täta att partiklar av mörk materia är mycket mer benägna att interagera med stjärnan. Om partiklar av mörk materia kolliderar med neutroner i stjärnan kommer de att förlora energi och bli instängda. Med tiden skulle detta leda till en ansamling av mörk materia i stjärnan," sa professor Bell.
University of Melbourne Ph.D. kandidat Michael Virgato sa att detta förväntas värma upp gamla, kalla neutronstjärnor till en nivå som kan vara inom räckhåll för framtida observationer, eller till och med utlösa stjärnans kollaps till ett svart hål.
"Om energiöverföringen sker tillräckligt snabbt skulle neutronstjärnan värmas upp. För att detta ska hända måste den mörka materian genomgå många kollisioner i stjärnan och överföra mer och mer av den mörka materiens energi tills all energi till slut har har deponerats i stjärnan," sa Virgato.
Det har tidigare varit okänt hur lång tid denna process skulle ta eftersom, när energin hos partiklarna av mörk materia blir mindre och mindre, är det mindre och mindre benägna att interagera igen. Som ett resultat ansågs det ta mycket lång tid att överföra all energi – ibland längre än universums ålder. Istället beräknade forskarna att 99 % av energin överförs på bara några dagar.
"Detta är goda nyheter eftersom det betyder att mörk materia kan värma neutronstjärnor till en nivå som potentiellt kan upptäckas. Som ett resultat skulle observationen av en kall neutronstjärna ge viktig information om interaktionen mellan mörk och vanlig materia, vilket ger ljus om arten av detta svårfångade ämne.
"Om vi ska förstå mörk materia - som finns överallt - är det avgörande att vi använder alla tekniker som står till vårt förfogande för att ta reda på vad den dolda materien i vårt universum faktiskt är," sa Virgato.
Denna forskning utfördes av ett team av internationella experter vid ARC Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics, inklusive professor Nicole Bell och Michael Virgato från University of Melbourne, Dr. Giorgio Busoni från Australian National University och Dr. Sandra Robles från Fermi National Accelerator Laboratory, U.S...
Mer information: 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
Tillhandahålls av University of Melbourne
