Vědci vyvíjejí inovativní novou metodu sondování temné hmoty

Astrofyzikové vyvinuli novou metodu pro zkoumání temné hmoty pomocí detektorů gravitačních vln, potenciálně odhalující účinky částic temné hmoty na neutronové hvězdy. Tento přístup nabízí nový pohled na temnou hmotu, přesahuje dosah současných detektorů a dláždí cestu pro budoucí objevy s pokročilými observatořemi gravitačních vln. Temná hmota je zásadní pro naše chápání vesmíru, ale její přesná povaha zůstává záhadou. Odhalení identity temné hmoty je zásadním cílem kosmologie a fyziky částic.

Společné úsilí fyziků z Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Indian Institute for Science a University of California v Berkeley představilo novou metodu zkoumání temné hmoty. Tato metoda využívá vyhledávání gravitačních vln k detekci potenciálních účinků temné hmoty na neutronové hvězdy.

Vysvětlena nová metodika
Sulagna Bhattacharya, postgraduální student na TIFR a hlavní autor studie publikované v Physical Review Letters, vysvětluje: částice temné hmoty v Galaxii se mohou hromadit v neutronových hvězdách kvůli jejich negravitačním interakcím. Nahromaděné částice tvoří husté jádro, které se zhroutí do nepatrné černé díry ve scénáři, že částice temné hmoty je těžká a nemá antičásticový protějšek; jedná se o scénář, který se v laboratorních experimentech ukázal jako jinak obtížně testovatelný.

Pro velký povolený rozsah hmotnosti částic temné hmoty počáteční černá díra spotřebovává svou hostitelskou neutronovou hvězdu a přeměňuje ji na černou díru o hmotnosti neutronové hvězdy. Podstatné je, že teorie hvězdné evoluce předpovídají, že černé díry se tvoří, když neutronové hvězdy překročí hmotnost asi 2,5násobku hmotnosti Slunce, jak je zakódováno v Tolman-Oppenheimer-Volkoffově limitu, ale zde temná hmota vede k černým dírám s nízkou hmotností, které jsou obvykle menší, než maximální neutronová hvězda.

Anupam Ray, který vedl práci, poukazuje na to, že „pro parametry temné hmoty, které dosud nebyly vyloučeny žádným jiným experimentem, se staré binární systémy neutronových hvězd v hustých oblastech Galaxie měly vyvinout v binární systémy černých děr. Pokud nevidíme žádné anomálně nízkohmotné fúze, klade to nová omezení na temnou hmotu“.

Propojení temné hmoty a černých děr
Je zajímavé, že některé z událostí detekovaných LIGO, například GW190814 a GW190425, se zdají zahrnovat alespoň jeden kompaktní objekt s nízkou hmotností. Vzrušující návrh založený na průkopnické práci Hawkinga a Zeldoviče ze 60. let 20. století je ten, že černé díry s nízkou hmotností by mohly být prvotního původu, tj. byly vytvořeny mimořádně vzácnými, ale velkými fluktuacemi hustoty ve velmi raném vesmíru.

Motivována těmito úvahami, v rámci spolupráce s LIGO bylo provedeno cílené hledání černých děr s nízkou hmotností a stanovilo její limity. Současná studie Bhattacharyi a jeho spolupracovníků ukazuje, že stejná nedetekce fúzí s nízkou hmotností pomocí LIGO také klade přísná omezení na částice temné hmoty.

Omezení prezentovaná v této studii mají významnou hodnotu, protože zkoumají prostor parametrů, který je značně mimo dosah současných pozemských detektorů temné hmoty, jako jsou XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN, zejména pro částice těžké temné hmoty.

Budoucnost pozorování gravitačních vln
Očekává se, že sloučení černých děr s nízkou hmotností bude detekovatelné nejen pomocí stávajících detektorů gravitačních vln, jako jsou LIGO, VIRGO a KAGRA, ale také připravovanými detektory, jako je Advanced LIGO, Cosmic Explorer a Einstein Telescope. Zvážením plánovaných vylepšení současných experimentů s gravitačními vlnami a zohledněním jejich zvýšené citlivosti a doby pozorování, studie předpovídá omezení, která by mohla být dosažena v příštím desetiletí.

Studie zejména ukazuje, že pozorování gravitačních vln může prozkoumat extrémně slabé interakce těžké temné hmoty, hluboko pod takzvaným „neutrinovým dnem“, kde se konvenční detektory temné hmoty musí potýkat s astrofyzikálním pozadím neutrin.

Pokud budou v budoucnu objeveny exotické černé díry s nízkou hmotností, mohlo by to být cennou nápovědou o povaze temné hmoty. Autoři optimisticky podepisují, že „detektory gravitačních vln, které se již ukázaly jako užitečné pro přímou detekci černých děr a gravitačních vln předpovídaných Einsteinem, mohou skončit také jako mocný nástroj k testování teorií temné hmoty“.

Zdroj: https://scitechdaily.com/unlocking-cosmic-mysteries-scientists-develop-innovative-new-method-to-probe-dark-matter/

autor: František Martinek