Obserwacje kosmosu wskazują na istnienie niewidzialnej ciemnej materii. Próby wykrycia jej cząstek na Ziemi na razie zakończyły się niepowodzeniem. Wiemy, że istnieje, tylko dzięki temu, że możemy zaobserwować skutki działania wytwarzanej przez nią siły grawitacji w skali kosmicznej. Bez ciemnej materii wirujące galaktyki po prostu by się rozpadały.

Cząstka ciemnej materii może, choć według fizyków niezwykle rzadko, zderzyć się z cząstką zwykłej materii. Żeby takie zderzenia zaobserwować, naukowcy skonstruowali kilka detektorów. Prowadzone w nich eksperymenty na razie nie dostarczyły jednak żadnych dowodów na istnienie choćby śladów ciemnej materii.

Badania te są niezwykle trudne. Ciemna materia oddziałuje ze zwykłymi cząstkami tak słabo, że nie zatrzymałaby jej nawet warstwa ołowiu o grubości roku świetlnego (czyli 9,5 biliona kilometrów). Ale we Wszechświecie istnieje materia miliardy razy gęstsza niż ołów - znajduje się we wnętrzach gwiazd neutronowych.

Z tego powodu naukowcy sądzą, że gwiazdy neutronowe mogą być odpowiednimi detektorami ciemnej materii. W pracy opublikowanej w “Physical Review Letters” opisują, jak można je wykorzystać do tego celu.

Ciemna materia może sprawić, że gwiazda neutronowa zapadnie się w czarną dziurę

Gwiazdy neutronowe składają się, jak wskazuje nazwa, głównie z neutronów. Neutrony są w nich upakowane tak ściśle, że tworzą materię o największej gęstości we Wszechświecie. Łyżeczka takiej neutronowej materii ważyłaby kilka miliardów ton.

I to właśnie tak niezwykle ścisłe upakowanie cząstek zwykłej materii może pozwolić wykryć ciemną materię. Naukowcy od dawna sugerują, że cząstki ciemnej materii powinny po prostu grzęznąć we wnętrzu neutronowych gwiazd. Z czasem zaś winny gromadzić się w ich jądrach.

Ten proces rozgrzewałby stare, chłodne gwiazdy neutronowe. Jeśli tak jest, mamy szansę dostrzec to za pomocą teleskopów. Zaś gdy ciemnej materii w gwieździe neutronowej zgromadzi się odpowiednio dużo, powinna zapaść się w czarną dziurę. To również moglibyśmy zaobserwować.

Na razie jednak nie ma przekonujących dowodów, że tak się dzieje.

Ciemnej materii we wnętrzu gwiazd neutronowych może być tysiąckrotnie mniej niż sądzono

Fizycy australijskiego ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics wyliczają, że ciemnej materii we wnętrzach neutronowych gwiazd może być nawet tysiąckrotnie mniej niż zakładano. Nie oznacza to, że nie będziemy mogli dostrzec jej śladów. Jednak trzeba szukać śladów tysiące razy słabszych niż poszukiwano dotychczas.

Dlaczego? Błąd wynika z tego, że naukowcy dotychczas traktowali materię we wnętrzach neutronowych gwiazd jak jednolity gaz, a neutrony jak punkty pozbawione rozmiarów (robili to dla uproszczenia obliczeń). Gdy jednak w obliczeniach uwzględni się rozmiary neutronów oraz oddziaływania między nimi, nawet tak gęste upakowanie zwykłej materii okazuje się słabszą (niż dotychczas obliczano) przeszkodą dla cząstek ciemnej materii.

Jeśli neutronowe gwiazdy z wiekiem mogą się rozgrzewać, będzie mógł to dostrzec kosmiczny teleskop Jamesa Webba. Ma trafić na orbitę jeszcze w tym roku. Być może zaobserwuje wzrost temperatury starych neutronowych gwiazd, nawet jeśli efekt ten byłby znacznie słabszy niż dotychczas sądzono. Zdaniem australijskich uczonych będzie to kolejny pośredni dowód na to, że ciemna materia jednak istnieje.

Źródła: University of Melbourne, Physical Review Letters