Wetenschap
Neutronensterren zouden kunnen opwarmen door de vernietiging van donkere materie
Een van de grote mysteries over donkere materiedeeltjes is of ze met elkaar interageren. We weten nog steeds niet precies wat donkere materie is. Sommige modellen beweren dat donkere materie alleen door zwaartekracht interageert, maar nog veel meer stellen dat deeltjes van donkere materie met elkaar kunnen botsen, kunnen samenklonteren en zelfs kunnen vervallen tot deeltjes die we kunnen zien. Als dat het geval is, kunnen objecten met bijzonder sterke zwaartekrachtvelden, zoals zwarte gaten, neutronensterren en witte dwergen, donkere materie opvangen en concentreren. Dit kan op zijn beurt invloed hebben op hoe deze objecten verschijnen.
Een voorbeeld hiervan is het onderzoek naar de wisselwerking tussen donkere materie en neutronensterren. Het onderzoek is gepubliceerd op de arXiv preprint-server.
Neutronensterren zijn gemaakt van de meest dichte materie in de kosmos. Hun krachtige zwaartekrachtvelden kunnen donkere materie vasthouden en in tegenstelling tot zwarte gaten zal straling van donkere materie niet achter een waarnemingshorizon worden opgesloten. Neutronensterren zijn dus een perfecte kandidaat voor het bestuderen van modellen voor donkere materie. Voor dit onderzoek keek het team naar hoeveel donkere materie een neutronenster zou kunnen opvangen, en hoe het verval van op elkaar inwerkende donkere materiedeeltjes de temperatuur ervan zou beïnvloeden.
De details zijn afhankelijk van welk specifiek donkere-materiemodel u gebruikt. In plaats van zich te richten op variantmodellen, keek het team naar brede eigenschappen. Ze concentreerden zich met name op de interactie tussen donkere materie en baryonen (protonen en neutronen), en of dit ertoe zou leiden dat donkere materie vast komt te zitten. Zeker, binnen het bereik van mogelijke interacties tussen baryon en donkere materie kunnen neutronensterren donkere materie opvangen.
Vervolgens onderzocht het team hoe de thermalisatie van donkere materie kon optreden. Met andere woorden:als donkere materie wordt opgevangen, moet er via botsingen en vernietiging van donkere materie warmte-energie aan de neutronenster worden afgegeven. Na verloop van tijd zouden de donkere materie en de neutronenster een thermisch evenwicht moeten bereiken.
De snelheid waarmee dit gebeurt, hangt af van hoe sterk deeltjes op elkaar inwerken, de zogenaamde verstrooiingsdwarsdoorsnede. Het team ontdekte dat het thermische evenwicht vrij snel wordt bereikt. Voor eenvoudige scalaire modellen van donkere materie kan het evenwicht binnen 10.000 jaar worden bereikt. Voor vectormodellen van donkere materie kan het evenwicht binnen slechts een jaar tot stand komen. Ongeacht het model kunnen neutronensterren in een kosmisch oogwenk een thermisch evenwicht bereiken.
Als dit model klopt, zou donkere materie een meetbare rol kunnen spelen in de evolutie van neutronensterren. We zouden bijvoorbeeld de aanwezigheid van donkere materie kunnen identificeren door neutronensterren te observeren die warmer zijn dan verwacht. Of misschien zelfs verschillende modellen voor donkere materie onderscheiden aan de hand van het totale spectrum van neutronensterren.