Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μερικά νεκρά αστέρια κατασκευασμένα από το πιο πυκνό υλικό στο γνωστό σύμπαν, που ονομάζονται «άστρα νετρονίων», μπορεί να λειτουργήσουν ως παγίδες για σωματίδια σκοτεινής ύλης που συγκρούονται με υψηλές ταχύτητες και εξαφανίζονται μεταξύ τους. Με τη σειρά του, λέει το πλήρωμα, η διαδικασία εκμηδένισης είναι πιθανό να θερμαίνει τα νεκρά αστέρια από μέσα προς τα έξω.
Γενικά, η σκοτεινή ύλη είναι ένα προβληματικό θέμα για τους ερευνητές γιατί, αν και υπολογίζεται ότι αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν, είναι ουσιαστικά αόρατη επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως. Η σκοτεινή ύλη επίσης δεν φαίνεται να αλληλεπιδρά με τη «συνηθισμένη ύλη» που αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια – ή αν συμβαίνει, αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι σπάνιες και αδύναμες. Δεν τους έχουμε ξαναδεί. Αυτό εγείρει ένα ενδιαφέρον ερώτημα: αλληλεπιδρά η σκοτεινή ύλη με τον εαυτό της;
Η Nicole Bell, μια θεωρητική φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μελβούρνης, ενδιαφέρεται για τον τύπο της αυτο-αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης που συμβαίνει στην κανονική ύλη όταν ένα ηλεκτρόνιο και το αντισωματίδιο του, ένα ποζιτρόνιο, συναντώνται και εκμηδενίζονται το ένα το άλλο, απελευθερώνοντας ενέργεια. Η σκοτεινή ύλη είναι ηλεκτρικά ουδέτερη, πράγμα που σημαίνει ότι όλα τα σωματίδια που αποτελούν την ουσία θα μπορούσαν θεωρητικά να έχουν επίσης τα δικά τους αντισωματίδια.
Και όπως ο εκμηδενισμός της κανονικής ύλης, ο εκμηδενισμός της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να συμβαίνει όταν συγκρούονται σωματίδια της σκοτεινής ύλης – και τα αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν να είναι το ιδανικό ακραίο περιβάλλον για τέτοιες αλληλεπιδράσεις.
Σχετίζεται με: Το εξωτικό «δαχτυλίδι του Αϊνστάιν» υποδηλώνει ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της
«Ο εκμηδενισμός συμβαίνει όταν ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο συγκρούονται και καταστρέφουν το ένα το άλλο. Αυτό θα συνέβαινε αν η σκοτεινή ύλη ήταν το δικό της αντισωματίδιο, όπως συχνά υποτίθεται στα πιο ευρέως μελετημένα μοντέλα της σκοτεινής ύλης», είπε ο Bell στο Space.com. «Η σύλληψη και η καταστροφή της σκοτεινής ύλης στα αστέρια νετρονίων θα παρείχε μια πηγή θερμότητας που εμποδίζει το αστέρι να γίνει πραγματικά κρύο».
Αυτό σημαίνει ότι εάν τα αστέρια νετρονίων μπορούσαν να λειτουργήσουν ως «παγίδες σκοτεινής ύλης», θα μπορούσαν να εκπέμπουν μια θερμική υπογραφή. Εάν αυτό μπορεί να αποδειχθεί, τα αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως υποτυπώδεις «ανιχνευτές σκοτεινής ύλης», βοηθώντας τους επιστήμονες να ανιχνεύσουν αυτήν την ουσιαστικά αόρατη μορφή ύλης.
Τι χρειάζεται για να συλλάβει κανείς τη σκοτεινή ύλη
Ένα αστέρι νετρονίων σχηματίζεται όταν ένα αστέρι που έχει τουλάχιστον οκτώ φορές μεγαλύτερη μάζα από τον Ήλιο τελειώνει από το καύσιμο που χρειάζεται για την πυρηνική σύντηξη στον πυρήνα του. Αυτό τερματίζει την εξωτερική δύναμη της πίεσης της ακτινοβολίας που έχει υποστηρίξει το αστέρι ενάντια στην εσωτερική δύναμη της δικής του βαρύτητας για εκατομμύρια, μερικές φορές ακόμη και δισεκατομμύρια χρόνια.
Αυτό προκαλεί την κατάρρευση του πυρήνα του άστρου, στέλνοντας κρουστικά κύματα που πυροδοτούν έναν σουπερνόβα. Αυτό το ωστικό κύμα απομακρύνει τα εξωτερικά στρώματα του ετοιμοθάνατου άστρου και το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του, αφήνοντας έναν αστρικό πυρήνα με μάζα μεταξύ μίας και δύο φορές τη μάζα του Ήλιου που έχει καταρρεύσει σε πλάτος περίπου 20 χιλιομέτρων.
Φυσικά, η σύνθλιψη μιας μάζας που ισοδυναμεί με περισσότερες από μισό εκατομμύριο Γη σε ένα σώμα που θα μπορούσε να βρίσκεται εντός των ορίων της πόλης του Σικάγο έχει ακραίες επιπτώσεις στην ύλη σε αυτόν τον αστρικό πυρήνα. Εξωθεί τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια μαζί, δημιουργώντας μια θάλασσα νετρονίων, τα οποία είναι σωματίδια που συνήθως βρίσκονται μόνο στις καρδιές των ατόμων. Αυτή η θάλασσα νετρονίων που συνθέτει ένα αστέρι νετρονίων είναι τόσο πυκνή που μια κουταλιά της σούπας από αυτό θα ζύγιζε πάνω από 1 δισεκατομμύριο τόνους αν μεταφερόταν στη Γη. Είναι περίπου το ίδιο βάρος με το Έβερεστ.
Επομένως, τα αστέρια νετρονίων αποτελούνται από την πιο πυκνή ύλη στο γνωστό σύμπαν, και γι’ αυτό οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι βαρυτικές τους επιρροές θα μπορούσαν να είναι αρκετά μεγάλες ώστε να παγιδεύουν τη σκοτεινή ύλη – η οποία αλληλεπιδρά με τη βαρύτητα παρόλο που δεν αλληλεπιδρά με το φως και την ύλη.
Ο Bell εξηγεί ότι ο αφανισμός της σκοτεινής ύλης πιστεύεται ότι συνέβαινε συχνά όταν το σύμπαν ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών ήταν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, αλλά είναι σπάνιο στο σημερινό σύμπαν. Η μόνη εξαίρεση θα ήταν οι περιοχές όπου υπάρχει πολλή σκοτεινή ύλη.
Και αν η σκοτεινή ύλη μπορεί πράγματι να συσσωρευτεί μέσα σε αστέρια νετρονίων, ο Bell και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι αυτό θα δημιουργούσε το πολύ σκοτεινό περιβάλλον πλούσιο σε ύλη που θα της επέτρεπε να εκμηδενιστεί στο γηρασμένο σύμπαν.
«Θα μπορούσαμε να καταλήξουμε με πολλή σκοτεινή ύλη σε μια μικρή περιοχή, αρκετή ώστε μια σημαντική ποσότητα σκοτεινής ύλης να μπορεί να εκμηδενιστεί σε αυτά τα αστέρια», είπε ο Bell.
Ο Bell πρόσθεσε ότι σε πειράματα σκοτεινής ύλης σε εργαστήρια στη Γη, οι επιστήμονες αναζητούν σήματα από σωματίδια σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη, αλλά τα αστέρια νετρονίων έχουν ένα φυσικό πλεονέκτημα από αυτή την άποψη.
«Στο εργαστήριο, αναζητούμε συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων σκοτεινής ύλης και ατομικών πυρήνων», είπε. «Αλλά αν αυτό μπορεί να συμβεί, τότε η σκοτεινή ύλη πρέπει επίσης να μπορεί να συγκρουστεί με τα νετρόνια και τα πρωτόνια στα αστέρια νετρονίων. Και τα αστέρια νετρονίων έχουν ένα». πολύ των νετρονίων.
Επιπλέον, στη μελέτη της για τα αστέρια νετρονίων και τη σκοτεινή ύλη, η Bell εξεπλάγη όταν έμαθε ότι η τεράστια βαρύτητα των αστεριών νετρονίων θα μπορούσε να δημιουργήσει μια άλλη συνθήκη που καθιστά ακόμη πιο πιθανή την αλληλεπίδραση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης μέσα σε αυτά τα νεκρά αστέρια.
«Η σκοτεινή ύλη επιταχύνεται σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός όταν χτυπά ένα αστέρι νετρονίων», είπε ο Bell. «Αυτό είναι χρήσιμο γιατί μπορεί να αυξήσει τον ρυθμό αλληλεπίδρασης και μπορεί να μας επιτρέψει να μελετήσουμε ορισμένους τύπους αλληλεπιδράσεων σκοτεινής ύλης που θα ήταν δύσκολο να παρατηρήσουμε σε πειράματα στη Γη».
Ο αφανισμός της σκοτεινής ύλης απελευθερώνει θερμική ενέργεια σε αυτές τις παγίδες νεκρών αστέρων. Έτσι, η ομάδα ερεύνησε επίσης πόσο χρόνο θα χρειαζόταν για να φτάσουν τα αστέρια νετρονίων και η σκοτεινή ύλη που συλλαμβάνουν σε μια κατάσταση που ονομάζεται «θερμική ισορροπία». Αυτό είναι το σημείο στο οποίο δύο ουσίες φθάνουν στην ίδια θερμοκρασία και η θερμότητα δεν ρέει πλέον ανάμεσά τους.
Αυτή η έρευνα διαπίστωσε ότι ένα αστέρι νετρονίων κορεσμένο με σκοτεινή ύλη μπορεί να φτάσει σε θερμική ισορροπία σε μια περίοδο όχι μεγαλύτερη από 10.000 χρόνια, ακόμη και σε μόλις ένα έτος, ανάλογα με το μοντέλο που χρησιμοποιείται. Κοσμικά μιλώντας, είναι απλά μια ριπή οφθαλμού.
Για να επικυρώσουν αυτή τη θεωρία, οι ερευνητές θα πρέπει να μετρήσουν τη θερμοκρασία των άστρων νετρονίων. Η διαπίστωση ότι αυτά τα εξαιρετικά νεκρά αστέρια είναι θερμότερα από το αναμενόμενο θα έδειχνε ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης στην πραγματικότητα εξαφανίζονται μέσα τους. Ωστόσο, μια τέτοια ανακάλυψη δεν θα ήταν εύκολη υπόθεση, επειδή μόνο τα παλαιότερα και ψυχρότερα αστέρια νετρονίων θα εκπέμπουν θερμική ακτινοβολία που δεν καλύπτεται από άλλο φως. Αυτό θα απαιτούσε το πιο ισχυρό όργανο παρατήρησης που έχει εκτοξεύσει ποτέ η ανθρωπότητα στο διάστημα: το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.
«Τα αστέρια νετρονίων που μας ενδιαφέρουν περισσότερο είναι πολύ ψυχρά αστέρια που είναι δύσκολο να δούμε», πρόσθεσε ο Bell. «Οι θερμοκρασίες αυτών των αστεριών θα οδηγούσαν σε εκπομπές κοντά στο υπέρυθρο που θα μπορούσαν ενδεχομένως να παρατηρηθούν με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST).»
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
– Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά ότι η σκοτεινή ύλη κρέμεται στον κοσμικό ιστό
– Πώς ο διάδοχος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων θα εντοπίσει το σκοτεινό σύμπαν
— Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες που έχουν απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσαν να είναι οι κύριοι ύποπτοι για τη σκοτεινή ύλη
Η έλλειψη κατανόησης σχετικά με τα αστέρια νετρονίων θα μπορούσε να σημαίνει ότι αυτό το σκοτεινό μοντέλο αφανισμού μπορεί να είναι ευκολότερο να δοκιμαστεί με τον τύπο των αστρικών υπολειμμάτων που αφήνονται πίσω όταν πεθαίνουν μικρότερα αστέρια όπως ο Ήλιος: λευκοί νάνοι.
«Λόγω της ακραίας πυκνότητάς τους, τα αστέρια νετρονίων είναι κατάλληλα για τη σύλληψη της σκοτεινής ύλης. «Αλλά είναι επίσης σχετικά ελάχιστα εξερευνημένα αστέρια», κατέληξε ο Bell. «Παρόμοιες ιδέες μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλα αστέρια που καταλαβαίνουμε καλύτερα, όπως οι λευκοί νάνοι».
Εάν η θεωρία αποδειχθεί σωστή, όχι μόνο θα έριχνε φως στη σκοτεινή ύλη, αλλά θα βοηθούσε επίσης τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την εξέλιξη των άστρων νετρονίων.
Η έρευνα του Bell και των συναδέλφων του δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους και είναι διαθέσιμη στον ιστότοπο αποθετηρίου χαρτιού arXiv.