|
Темная материя влияет на сверхновые
|
|
|
|
Сверхновые с электронным захватом (ECSNe) - это звездные взрывы, которые происходят в звездах с начальной массой, примерно в 8-10 раз превышающей солнечную. У этих звезд образуются кислородно-неоново-магниевые ядра, которые становятся нестабильными, когда электроны захватываются ядрами неона и магния.
|
|
|
|
В результате потери электронного давления происходит коллапс ядра, что приводит к взрыву сверхновой и образованию нейтронной звезды — чрезвычайно плотной звезды, состоящей в основном из нейтронов.
|
|
|
|
Исследователи из INFN-Pisa и Пизанского университета недавно провели исследование, направленное на то, чтобы пролить новый свет на то, как гипотетический тип темной материи, называемый асимметричной темной материей (ADM), может влиять на коллапс ядер-предшественников ECSN и последующее формирование нейтронных звезд.
|
|
|
|
В их статье, опубликованной в журнале Journal of High Energy Astrophysics, представлена первая самосогласованная модель звездной структуры, описывающая возможный вклад ADM в этот астрофизический процесс.
|
|
|
|
"Мое вдохновение провести исследование, описанное в нашей недавней статье, опубликованной в JHEAP, пришло чуть больше года назад, когда я наткнулся на интересное исследование, проведенное Хирамацу и соавторами. опубликовано в 2021 году", - рассказал Игнацио Бомбачи, соавтор статьи Phys.org.
|
|
|
|
|
|
|
"В своей работе авторы показали, что сверхновая 2018zd (SN2018zd) представляет собой первое убедительное наблюдательное свидетельство ECSN, нового типа звездного взрыва, предложенного в начале 1980-х годов японским астрофизиком Кеничи Номото и его сотрудниками".
|
|
|
|
До того, как Бомбачи наткнулся на статью Хирамацу и его коллег, опубликованную в 2021 году, он руководил работой Доменико Скордино, который заканчивал магистратуру по физике в Пизанском университете. Вместе со своим студентом он исследовал возможное влияние фермионного АДМ на структурные свойства нейтронных звезд.
|
|
|
|
"После прочтения статьи мне сразу стало ясно, что присутствие фермионной темной материи в вырожденном ядре из кислорода, неона и магния (16O, 20Ne, 24Mg) звезды-прародительницы ECSN может сильно повлиять на процесс ECSN, особенно в отношении критического значения массы вырожденного звездного ядра после чего может произойти захват электронов ядрами 20Ne и 24Mg", - сказал Бомбачи.
|
|
|
|
"Самое главное, я увидел возможность образования нейтронных звезд с массами, значительно меньшими массы Солнца, то есть ниже наименьшей массы, измеренной до сих пор (M = 1,174 массы Солнца) для нейтронной звезды, связанной с пульсаром PSR J0453+1559".
|
|
|
|
Основной целью исследования исследователей было изучение влияния темной материи на коллапс ядра-прародителя ECSN, последующий взрыв и рождение нейтронной звезды. В своих анализах они рассматривали обычную материю и темную материю как две взаимопроникающие жидкости, которые взаимодействуют исключительно посредством гравитационных эффектов.
|
|
|
|
"Чтобы сделать это, мы использовали общий релятивистский двухжидкостный формализм, который расширяет стандартные уравнения структуры компактных звезд для описания равновесных конфигураций, в которых два жидких компонента сосуществуют в общем гравитационном поле", - пояснил Скордино, соавтор статьи.
|
|
|
|
"Для обычной материи мы смоделировали богатые неоном белые карлики (типичные предшественники сверхновых с электронным захватом), используя уравнения состояния (EOS), которые включают физику захвата электронов. Что касается темной материи, мы предположили, что она ведет себя как холодный, идеальный, вырожденный ферми-газ, в то время как для моделирования обычной материи внутри нейтронной звезды мы используем микроскопическую EOS, используя квантовый многочастичный подход".
|
|
|
|
Бомбачи, Скордино и их коллега Вишал Пармар впоследствии численно решили уравнения звездной структуры, проанализировав различные массы и доли частиц темной материи. Это позволило им сделать прогнозы о том, как присутствие темной материи изменит профиль плотности ядра, похожего на белого карлика, прародителя ECSN, и повлияет на пороговую массу, при которой произойдет его коллапс.
|
|
|
|
"Этот подход позволил нам сопоставить белые карлики-прародители непосредственно с остатками их нейтронных звезд и количественно оценить, как темная материя может снизить энергию взрыва и привести к образованию нейтронных звезд с необычно низкой массой", - сказал Скордино.
|
|
|
|
"В конечном счете, мы показали, что темная материя может приводить к коллапсу ядер, подобных белым карликам, при меньшей гравитационной массе, что приводит к более слабым взрывам и образованию нейтронных звезд с необычно низкой массой".
|
|
|
|
В этом недавнем исследовании представлена первая модель, основанная на структуре звезд, которая описывает роль ADM в коллапсе белых карликов, энергетике ECSNe и последующем появлении нейтронных звезд. Эта модель могла бы послужить основой как для астрофизических исследований, посвященных процессу ECSNe, так и для потенциальных будущих поисков темной материи.
|
|
|
|
"Рассматривая обычную материю и темную материю как две жидкости, взаимодействующие только под действием силы тяжести, мы показали, что даже небольшое количество темной материи может сжать ядра белых карликов настолько, чтобы вызвать коллапс при меньших массах, чем считалось ранее", - сказал Пармар, соавтор статьи.
|
|
|
|
"Это открывает новый путь для формирования необычно легких нейтронных звезд, масса которых значительно ниже стандартного диапазона, предсказанного традиционными моделями".
|
|
|
|
В целом, модель команды предполагает, что сверхновые с очень низкой энергией или неожиданно легкие нейтронные звезды могут быть косвенными признаками присутствия темной материи внутри звезд. Последующие исследования могут продолжить изучение этой возможности и ее возможных последствий для поиска темной материи.
|
|
|
|
"В более широком смысле наше исследование подчеркивает, что звездные взрывы, традиционно изучаемые только с точки зрения ядерной физики и физики элементарных частиц, могут также служить естественными лабораториями для изучения свойств темной материи, открывая нам новое астрофизическое окно в одну из самых больших загадок физики", - сказал Пармар.
|
|
|
|
Бомбачи, Скордино и Пармар сейчас развивают свое недавнее исследование и пытаются усовершенствовать свою звездную модель. Например, они планируют включить более реалистичный состав белых карликов и рассмотреть более широкий спектр свойств темной материи.
|
|
|
|
"Мы также хотим исследовать, как различные количества темной материи могут оставлять заметные отпечатки, такие как необычно слабые сверхновые или очень легкие нейтронные звезды, и сравнить эти прогнозы с текущими и предстоящими наблюдениями", - добавили авторы.
|
|
|
|
"В долгосрочной перспективе мы надеемся более тесно связать нашу теоретическую работу с астрономией с несколькими мессенджерами, используя данные телескопов и детекторов гравитационных волн, чтобы проверить, действительно ли темная материя влияет на жизнь и смерть звезд. Параллельно мы стремимся исследовать, могут ли нейтронные звезды малой массы, происходящие из ECSNe, ввести новые ограничения в уравнение состояния нейтронной звезды при промежуточных плотностях".
|
|
|
|
Источник
|
