The exotic black hole-neutron star binaries in our Galaxy

Diep in de stille hoeken van ons Melkwegstelsel vermoeden astronomen al lang het bestaan van een verborgen populatie kosmische koppels: een zwart gat en een neutronenster die in een nauwe baan om elkaar heen draaien. Deze paren worden beschouwd als de heilige graal van de astrofysica, omdat ze een uniek laboratorium bieden om de wetten van de zwaartekracht te testen en te begrijpen hoe de dichtste objecten in het universum zich gedragen. Toch, ondanks decennia van zoeken met krachtige radiotelescopen, is er binnen ons eigen sterrenstelsel nog geen enkel een van deze binaire systemen gevonden. Hoewel we de uiteindelijke, gewelddadige botsing van dergelijke paren in verre sterrenstelsels wel hebben waargenomen, blijven de exemplaren die dichtbij zouden moeten rondhangen onzichtbaar. Deze afwezigheid heeft wetenschappers voor een raadsel gesteld: zijn deze systemen zeldzamer dan modellen voorspellen, of verbergen ze zich simpelweg in het volle zicht, onzichtbaar voor onze huidige methoden?

De ontbrekende schakel zou kunnen liggen in een substantie die het universum doordringt maar ongedetecteerd blijft: donkere materie. Al jaren weten onderzoekers dat massieve objecten zoals sterren en planeten als vallen kunnen fungeren voor deeltjes donkere materie. Terwijl deze onzichtbare deeltjes door de ruimte zweven, kan de intense zwaartekracht van een dichte ster ze naar binnen trekken, waar ze botsen met gewone materie, hun snelheid verliezen en binnenin gevangen raken. Dit proces draagt energie over aan de ster, waardoor deze opwarmt. In standaardscenario's is deze opwarming te zwak om te zien. Echter, een nieuw onderzoek door Man Ho Chan stelt voor dat in specifieke binaire systemen deze opwarming tot extreme niveaus versterkt kan worden, waardoor een koude, onzichtbare neutronenster verandert in een brandende baken die onze telescopen eindelijk kunnen spotten.

Chan's werk suggereert dat sommige van de zwarte gaten in deze ontbrekende paren "primordiaal" kunnen zijn, wat betekent dat ze ontstonden in het zeer vroege universum in plaats van uit de ineenstorting van een stervende ster. Als dit waar is, zouden deze zwarte gaten vanaf het moment van hun geboorte omgeven zijn door een dichte, geconcentreerde piek van donkere materie. In tegen tegenstelling tot de diffuse donkere materie die in de rest van het sterrenstelsel wordt gevonden, zou deze piek ongelooflijk dicht zijn. Wanneer een neutronenster rond een dergelijk zwart gat draait, beweegt hij zich door deze dichte wolk van donkere materie. De neutronenster fungeert als een net dat een enorme hoeveelheid deeltjes donkere materie opvangt terwijl hij reist. De energie die vrijkomt bij deze vangst is zo intens dat het het oppervlak van de neutronenster op een verzengende temperatuur van ongeveer één miljoen Kelvin houdt.

Deze extreme hitte verandert het spel voor detectie. Een normale neutronenster, zelfs een die is opgewarmd door standaard deeltjesopvang van donkere materie, zou te koel en te klein zijn om met de huidige technologie te zien. Maar een neutronenster die is opgewarmd tot een miljoen graden, zou helder gloeien in ultraviolet en röntgenlicht. Chan berekent dat een dergelijke ster zichtbaar zou zijn voor krachtige instrumenten zoals de XMM-Newton röntgentelescoop en de James Webb Space Telescope. Als deze exotische binaire systemen bestaan, zouden ze verschijnen als ongelooflijk hete, minuscule lichtpuntjes die niet passen bij het profiel van enig ander bekend object.

De studie beweert deze objecten nog niet gevonden te hebben, maar biedt een duidelijk stappenplan voor hoe ze te vinden. Door te zoeken naar deze specifieke, ultra-hete neutronensterren, zouden astronomen eindelijk de ontbrekende zwart gat-neutronenster paren in ons sterrenstelsel kunnen lokaliseren. Bovendien zou de helderheid van deze sterren ons meer vertellen dan alleen hun locatie; het zou de dichtheid van de donkere materie die hen omringt onthullen. Als een hete neutronenster wordt gevonden, zou de temperatuur ervan gebruikt kunnen worden om uiterst strikte grenzen te stellen aan hoe deeltjes donkere materie interageren met gewone materie, wat potentieel ons begrip van deze mysterieuze substantie versterkt tot ver voorbij wat huidige experimenten op aarde kunnen bereiken.

De onderzoekers erkennen dat andere processen neutronensterren kunnen opwarmen, dus het vinden van een hete ster alleen is niet genoeg om de theorie te bevestigen. Om zeker te zijn, zouden astronomen moeten verifiëren dat de hete ster inderdaad rond een zwart gat draait en dat het systeem tekenen vertoont van de gravitationele weerstand veroorzaakt door de piek van donkere materie. Echter, het voorstel biedt een overtuigende nieuwe strategie: in plaats van te luisteren naar radiosignalen die mogelijk niet bestaan, moeten we kijken naar de warmtesignatuur van een ster die is opgeladen door de onzichtbare materie van het universum. Indien succesvol, zou deze aanpak het mysterie van de ontbrekende binaire systemen kunnen oplossen en een nieuw venster kunnen openen naar de fysica van donkere materie en zwaartekracht.