Även om forskare har studerat mörk materia och försökt observera den, dess natur är ett mångårigt vetenskapligt mysterium. Den kosmologiska standardmodellen antyder att ungefär en fjärdedel av kosmologisk energi och materia nästan är immun mot elektromagnetiska interaktioner, sålunda är det enda sättet att observera det att studera dess gravitationseffekter. Dock, vilken typ av partiklar som utgör mörk materia är fortfarande föremål för debatt.

En teori som fått stor uppmärksamhet under det senaste decenniet eller så antar att mörk materia åtminstone delvis består av ultralätta partiklar (d.v.s. mycket lättare än elektroner, till exempel). Dessa partiklar skiljer sig från vanliga partiklar på flera sätt. Till exempel, deras elektroner, protoner eller neutroner, som utgör alla element i det periodiska systemet, är fermioner. Som ett resultat, partiklarna har ett halvt heltals spin, vilket är lika med hälften.

De ultralätta partiklarna som föreslås som kandidater för mörk materia är kända som bosoner. Bosoner har ett heltalssnurr, vilket betyder att det kan vara, till exempel, noll eller ett. Den viktigaste skillnaden mellan fermioner och bosoner är att fermioner följer den så kallade Pauli-uteslutningsprincipen, som säger att två lika fermioner inte kan vara på samma plats, när de stöter bort varandra. Å andra sidan, bosoner kan klunga sig ovanpå varandra, ibland till och med bildar makroskopiska objekt som består av ett astronomiskt antal lika bosoner.

Forskare vid Universidade de Lisboa, Universitat de València och Universidade de Aveiro har nyligen genomfört en fascinerande studie som utforskar dynamiken hos snurrande bosoniska stjärnor, som är stjärnor bildade av hopar av ultralätta bosoner. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , ger värdefull ny insikt i dynamiken hos olika typer av snurrande bosoniska stjärnor.

"Om bosoner är ultralätta, de kan bilda föremål med massan av en stjärna som solen eller ännu mer massiva, " berättade forskarna för Phys.org via e-post. "Dessa stjärnor, kallas bosoniska stjärnor, kan vara utspridda över hela universum, utgör en del (eller hela) av mörk materia. Frågan är om dessa stjärnor är stabila."

Tidigare studier har visat att när stjärnor inte snurrar, de är stabila. Dock, när solen och alla kända stjärnor och planeter i vår galax snurrar runt sin axel, andra stjärnor förväntas göra det, också.

"Den kvardröjande frågan var om de roterande bosoniska stjärnorna är stabila, " sa forskarna. "Vårt papper svarar på den här frågan och svaret är rikare än väntat."

Övergripande, bosoniska stjärnor kan vara ganska kompakta, vilket innebär att deras massa finns inom ett litet utrymme. På grund av denna speciella kvalitet, dessa stjärnor beskrivs bäst med Albert Einsteins allmänna relativitetsteori snarare än Newtonsk gravitation.

I deras studie, forskarna vid Universidade de Lisboa, Universitat de València och Universidade de Aveiro utförde en serie numeriska relativitetssimuleringar med hjälp av en gratis plattform som heter Einstein Toolkit. Även om dessa simuleringar, de löste ekvationerna för allmän relativitet numeriskt, som beskriver gravitationens beteende, samt motsvarande evolutionsekvationer för den materia som utgör bosoniska stjärnor.

"Att utföra numeriska evolutioner kräver korrekta initiala data som beskriver hur gravitations- och materiefälten är vid någon initial tidpunkt, ", förklarade forskarna. "Vi övervägde alltså två scenarier. I det första scenariot, ett stort moln av motsvarande bosoniska materia är på väg att kollapsa för att (potentiellt) bilda en snurrande stjärna. I det andra scenariot, vi börjar med en stjärna i jämvikt för att bedöma om den är robust mot störningar, eller, å andra sidan, om den är instabil."

Spinnande bosoniska stjärnor kan ha olika morfologier. Om partikeln de är gjorda av har ett spinn lika med noll, de kallas skalära stjärnor. Å andra sidan, om denna partikel har ett spinn lika med ett, de kallas vektorstjärnor.

Einsteins allmänna relativitetsteori beskriver bosoniska stjärnor när de är kompakta, förutsäga att roterande skalära stjärnor har en munkliknande form (dvs. torus). Samma teori förutspår att vektorstjärnor har en form som är vanligare att rotera, mer eller mindre sfäriska stjärnor, men något tillplattad vid polerna (dvs. sfäroidal), som planeten Jorden.

Intressant, de numeriska simuleringarna och analyserna som utförts av forskarna visar att när toroidstjärnor störs något, de går så småningom i bitar. Några av dessa bitar skjuts sedan bort, tar stjärnans vinkelmomentum.

"Slutresultatet är en total klyvning av den ursprungliga stjärnan, eller i vissa fall, avslappningen av den ursprungliga stjärnan till en tändare, icke-roterande stjärna, eller ändå, i andra fall, stjärnans fullständiga kollaps i ett svart hål, " sa forskarna. "När det gäller sfäroidala stjärnor, å andra sidan, de är robusta mot störningar, som de vanliga stjärnorna som är kända i universum."

Forskarna samlade intressanta fynd som kunde kasta lite ljus över dynamiken hos bosoniska stjärnor. Kanske ännu mer anmärkningsvärt, dock, studien tyder på att upptäckten av roterande ultralätt mörk materia-stjärnor kan hjälpa till att bättre förstå naturen hos partiklar som utgör mörk materia, särskilt deras spin. I framtiden, forskarna planerar att utföra ytterligare forskning med fokus på instabiliteten hos spinnande skalära bosoniska stjärnor, med tanke på en mer komplex typ av partikel som kan interagera med sig själv.

"Dessa självinteraktioner föreslås av vissa modeller av mörk materia och högenergifysik, " förklarade forskarna. "Frågan som vi är intresserade av att utforska är:kan de släcka instabiliteten? Dessutom, vi skulle vilja bedöma om instabiliteten är naturligt relaterad till morfologin. Det är, om toroidformade stjärnor alltid är instabila. Att göra detta, vi analyserar några mer komplicerade modeller av snurrande vektorstjärnor som kan anta toroidformen för att testa om de också är instabila."

© 2019 Science X Network