Composition $g$-modes and $f$-modes of neutron stars with gravitationally coupled dark matter: degeneracy with the symmetry energy

Diep in het hart van de kosmos staan neutronensterren als de meest extreme laboratoria van de natuur. Dit zijn de ingestorte kernen van massieve sterren, zo dicht samengeperst dat een enkele theelepel van hun materiaal op aarde een miljard ton zou wegen. Decennialang hebben natuurkundigen vermoed dat deze dichte sferen een geheim zouden kunnen herbergen: donkere materie. In tegen tegenstelling tot de gewone materie waaruit sterren, planeten en mensen bestaan, zendt donkere materie geen licht uit en interageert het niet met licht; het onthult zichzelf alleen via zijn zwaartekracht. Als deeltjes donkere materie in een neutronenster drijven, kunnen ze zich in het centrum nestelen of zich verspreiden in een halo, waardoor de interne structuur van de ster subtiel verandert. De vraag is of we deze onzichtbare gast kunnen detecteren. Om dat te doen, kijken wetenschappers naar hoe deze sterren trillen. Net zoals een bel een specifieke toon geeft wanneer hij wordt aangeslagen, oscilleert een neutronenster in duidelijke patronen nadat hij is verstoord. Sommige van deze trillingen, bekend als compositiemodi, zijn gevoelig voor de exacte mix van deeltjes binnenin de ster, terwijl andere afhangen van de algehele dichtheid van de ster. Door naar deze kosmische tonen te luisteren, hopen onderzoekers onderscheid te maken tussen een pure neutronenster en een ster die donkere materie binnenin verbergt.

Een team van onderzoekers heeft onlangs een frisse blik op dit probleem geworpen, waarbij ze voorbij eenvoudige modellen gingen om de volledige complexiteit van de zwaartekracht, zoals beschreven door Einstein, te simuleren. Ze richtten zich op een specifiek scenario waarin donkere materie alleen met de gewone materie van de ster interageert via zwaartekracht, zonder dat er andere krachten in het spel zijn. In deze opstelling vormt de donkere materie een aparte vloeistof binnen de ster, verschillend van de neutronen en protonen die de bulk van de massa van de ster vormen. De wetenschappers bouwden een enorme bibliotheek van mogelijke neutronenster-modellen, gebruikmakend van drieënzestig verschillende theorieën over hoe nucleaire materie zich gedraagt onder extreme druk. Vervolgens introduceerden ze donkere materie in deze modellen, waarbij ze de hoeveelheid donkere materie en de massa van de donkere deeltjes varieerden, en berekenden ze hoe de trillingsfrequenties van de ster zouden veranderen. Ze vergeleken deze theoretische voorspellingen met echte gegevens verzameld uit twee belangrijke bronnen: nauwkeurige metingen van de grootte en massa van neutronensterren door de NICER-ruimtetelescoop, en gravitationele golfsignalen van de botsing tussen twee neutronensterren gedetecteerd door de LIGO- en Virgo-observatoria.

De resultaten onthulden een verrassende beperking in het gebruik van deze trillingen als een directe detector voor donkere materie. Wanneer de onderzoekers naar de compositiemodi keken, die worden aangedreven door de opwaartse kracht van vloeistofelementen binnen de ster, ontdekten ze dat de donkere materie zelf een zeer zwak direct effect heeft. Omdat de donkere materie alleen zwaartekracht voelt, verandert het de interne chemische gradiënten die deze specifieke trillingen aandrijven niet significant. Een donkere kern die tien procent van de massa van de ster bevat, zou de frequentie van de fundamentele compositiemodus met slechts tien tot vijftien procent kunnen verhogen. Dit is een kleine verschuiving, vooral in vergelijking met oudere modellen waar werd aangenomen dat donkere materie chemisch mengde met neutronen, wat veel grotere veranderingen voorspelde. De onderzoekers vonden dat de gegevens van NICER en de gravitationele golfgebeurtenis GW170817 geen voorkeur tonen voor sterren die donkere materie bevatten. In plaats daarvan stelden de gegevens simpelweg een bovengrens vast: als er donkere materie in deze sterren bestaat, kan deze niet meer dan ongeveer twaalf tot zesentwintig procent van de totale massa uitmaken, afhankelijk van de massa van de donkere deeltjes.

Het verhaal eindigt echter niet met een simpel "nee". De studie onthulde een subtieler en significanter effect. Hoewel de donkere materie de compositiemodi van de ster niet direct doet schudden, dwingt de aanwezigheid ervan de gewone nucleaire materie om zich anders te gedragen. Om de waargenomen grootte en massa van echte neutronensterren te voldoen terwijl ze een donkere kern dragen, moet de nucleaire materie "stijver" zijn, wat betekent dat ze weerstand biedt tegen compressie. Deze verandering in de eigenschappen van de nucleaire materie heeft een diepgaande impact op de trillingsfrequenties. De onderzoekers ontdekten dat de frequentie van de compositiemodus zo gevoelig is voor de stijfheid van de nucleaire materie dat een ster met een donkere kern bijna identiek lijkt aan een ster zonder donkere materie maar met een ander type nucleaire fysica. Specifiek simuleert een donkere kern die tien procent van de massa bevat het effect van het veranderen van een sleutelkenmerk van nucleaire materie, bekend als de helling van de symmetrie-energie, met negen tot twaalf miljoen elektronvolt. Dit creëert een "degeneratie", een situatie waarin twee zeer verschillende fysieke realiteiten hetzelfde observeerbare signaal produceren. Zonder de exacte details te weten van hoe nucleaire materie zich gedraagt bij extreme dichtheden, is het onmogelijk om te zeggen of een gemeten trillingsfrequentie wordt veroorzaakt door donkere materie of simpelweg door een andere nucleaire toestandsvergelijking.

De onderzoekers onderzochten ook een ander type trilling, de fundamentele modus, die wordt aangedreven door druk en de gemiddelde dichtheid van de ster volgt. Deze modus gedraagt zich anders. Omdat een donkere kern de massa in het centrum concentreert, verandert het de relatie tussen de algehele vorm van de ster en zijn trillingsfrequentie op een manier die pure nucleaire sterren niet doen. De studie toonde aan dat een donkere kern de nauwe verbinding tussen de trillingsfrequentie en de getijdenvervormbaarheid van de ster — een maatstaf voor hoe gemakkelijk de ster wordt uitgerekt door de zwaartekracht van een begeleider — verbreekt. Deze breuk in de relatie is klein, ongeveer één procent, maar is duidelijk en consistent over alle geteste nucleaire modellen. Dit suggereert dat als we zowel de trillingsfrequentie als de getijdenverformbaarheid met voldoende precisie kunnen meten, we mogelijk de handtekening van een donkere kern kunnen opmerken, zelfs als de compositiemodi ambigu blijven. Deze test rust echter op een cruciale aanname: onze theoretische bibliotheek van nucleaire materiemodellen moet compleet zijn. De onderzoekers waarschuwen dat als de ware nucleaire toestandsvergelijking ontbreekt in onze modellen, zelfs een kleine fout in de meting verkeerd geïnterpreteerd kan worden. In dat geval zou een donkere kern de enige manier kunnen zijn voor het model om de geobserveerde frequenties te reproduceren, wat leidt tot een vals positief resultaat. Zoals de auteurs opmerken: "Percentuele mode-data kunnen bewijs voor donkere materie even gemakkelijk fabriceren als ze vinden."

Uiteindelijk concludeert het artikel dat compositiemodi een slecht instrument zijn voor de directe detectie van donkere materie in neutronensterren wanneer de donkere materie alleen via zwaartekracht interageert. Het signaal wordt te gemakkelijk verward met de onbekende details van de nucleaire fysica. De onderzoekers benadrukken dat elke claim van de ontdekking van donkere materie op basis van deze trillingen eerst een volledige en perfecte kennis van nucleaire materie vereist zou hebben. Als de theoretische modellen van nucleaire materie incompleet zijn, kan een interpretatie van donkere materie gemakkelijk een vals alarm zijn, waarbij een gat in onze kennis van atomen wordt verward met de aanwezigheid van onzichtbare deeltjes. De studie dient als een cruciale herinnering dat in de zoektocht naar de donkerste geheimen van het universum, we eerst absoluut zeker moeten zijn van het gedrag van de lichtste, meest vertrouwde materie. De weg vooruit ligt in het verfijnen van ons begrip van de nucleaire fysica en het wachten op de volgende generatie gravitationele golfdetectoren, die uiteindelijk gevoelig genoeg kunnen zijn om de kleine, één-procentige afwijking te vangen die een donkere kern achterlaat.