Asteroseismology of Neutron Stars with Axion-Like Particle Mediated Dark Matter

Het universum is gevuld met materie die we niet kunnen zien. Astronomen noemen deze onzichtbare substantie donkere materie, en het vormt de overgrote meerderheid van het kosmos. Hoewel we weten dat het bestaat door de manier waarop het aan zichtbare sterren en sterrenstelsels trekt, heeft nog nooit iemand direct geïdentificeerd uit wat voor soort deeltje het is opgebouwd. Dit mysterie bevindt zich op het snijvlak van twee grote wetenschappelijke velden: de deeltjesfysica, die de kleinste bouwstenen van de natuur bestudeert, en de astrofysica, die de grootste structuren bestudeert. Om dit op te lossen, kijken wetenschappers vaak naar de meest extreme omgevingen in het universum, zoals neutronensterren. Dit zijn de samengeperste kernen van dode sterren, zo dicht dat een enkele theelepel van hun materiaal miljarden tonnen zou wegen. Omdat ze zo zwaar en compact zijn, fungeren ze als natuurlijke laboratoria waar de wetten van de fysica tot hun grenzen worden gedreven. Als donkere materie-deeltjes bestaan en interageren met normale materie, zouden ze binnen deze stellaire resten gevangen kunnen raken, waardoor het gedrag van de sterren subtiel verandert.

Een team van onderzoekers heeft onlangs deze mogelijkheid verkend door de vraag te stellen wat er zou gebeuren als een specifiek type theoretisch deeltje, bekend als een axion-achtig deeltje, als een brug zou fungeren tussen donkere materie en de normale materie binnen een neutronenster. In hun studie bouwden ze een gedetailleerd computermodel van een neutronenster die zowel gewone nucleaire materie als een wolk van deze donkere materie-deeltjes bevat. Ze keken niet alleen naar de grootte of het gewicht van de ster; ze onderzochten ook hoe de ster zou trillen als deze werd verstoord, vergelijkbaar met een bel die rinkelt nadat er op is geslagen. Door te simuleren hoe deze trillingen veranderen wanneer donkere materie aanwezig is, probeerden de onderzoekers een unieke signatuur te vinden die astronomen zou kunnen helpen om verschillende theorieën over donkere materie en verschillende soorten sterinterieurs van elkaar te onderscheiden.

De onderzoekers begonnen met het construeren van een model van een neutronenster dat de effecten van deze axion-achtige deeltjes in kaart bracht. Ze behandelden de donkere materie als een vloeistof die zich mengt met de kern van de ster, gestuurd door twee hoofdeigenschappen: de massa van de donkere materie-deeltjes en hoe dicht ze gepakt zijn. Wanneer ze hun simulaties uitvoerden, ontdekten ze dat het toevoegen van deze component van donkere materie de interne structuur van de ster zachter en compressibeler maakte. In eenvoudige termen maakte de aanwezigheid van de donkere materie het makkelijker om de ster samen te drukken. Als gevolg hiervan werden de sterren in hun modellen kleiner en minder massief dan wanneer ze alleen uit normale materie zouden bestaan. Bijvoorbeeld, wanneer ze de hoeveelheid donkere materie in hun simulaties verhoogden, daalde het maximale gewicht dat een ster kon ondersteunen voordat deze instortte aanzienlijk. In sommige gevallen maakte de donkere materie bijna de helft van de totale massa van de ster uit, terwijl de ster zelf compacter en minder stabiel werd.

Deze verandering in grootte en gewicht had een directe impact op hoe de ster zou reageren op externe krachten. De onderzoekers berekenden een eigenschap genaamd getijdenvervormbaarheid, die meet hoe gemakkelijk de vorm van een ster kan worden uitgerekt door de zwaartekracht van een nabijgelegen object. Hun modellen toonden aan dat naarmate de inhoud van donkere materie toenam, de ster moeilijker uit te rekken werd, wat betekende dat de getijdenvervormbaarheid afnam. Dit is een cruciale bevinding, omdat astronomen precies deze eigenschap hebben gemeten in echte neutronensterren die botsten en fuseerden, waarbij rimpelingen in de ruimtetijd werden uitgezonden die bekend staan als zwaartekrachtgolven. De onderzoekers vergeleken hun gesimuleerde sterren met de gegevens van deze echte kosmische gebeurtenissen. Ze vonden dat hoewel kleine hoeveelheden donkere materie nog steeds binnen de geobserveerde limieten pasten, grotere hoeveelheden donkere materie de sterren te klein en te rigide zouden maken om overeen te komen met wat we al in de hemel hebben gezien. Dit suggereert dat als axion-achtige deeltjes bestaan, ze niet te overvloedig kunnen zijn binnen neutronensterren, anders zou ons huidige beeld van de hemel er heel anders uitzien.

Naast de vorm van de ster onderzochten het team ook hoe de ster zou trillen. Ze keken naar twee soorten trillingen: radiale oscillaties, waarbij de ster uitzet en krimpt als een ademende ballon, en niet-radiale oscillaties, die complexere wiebelingen zijn die de vorm van de ster veranderen. Ze ontdekten dat de aanwezigheid van donkere materie de frequentie van deze trillingen verschoof. Hoewel de sterren met donkere materie lichter waren, waren ze ook gemiddeld dichter, omdat de donkere materie de kern strakker samendrukte. Deze verhoogde dichtheid maakte de interne "veer" van de ster stijver, waardoor deze met een hogere toonhoogte zou trillen. In hun simulaties steeg de fundamentele trillingsfrequentie van een standaard neutronenster van ongeveer 1,51 kilohertz naar meer dan 2,4 kilohertz naarmate de massa van de donkere materie-deeltjes toenam. Tegelijkertijd werd de tijd die deze trillingen nodig hadden om uit te doven, bekend als de dempingstijd, korter. Dit betekent dat een ster met donkere materie luider en scherper zou rinkelen, maar dat het geluid sneller zou uitsterven dan bij een ster die enkel uit normale materie bestaat.

De onderzoekers controleerden ook de stabiliteit van deze sterren. Ze ontdekten dat het punt waarop een ster onstabiel wordt en instort tot een zwart gat verschoof wanneer donkere materie werd toegevoegd. In hun modellen nam de maximale massa die een ster kon dragen af, en de dichtheid die nodig was om dit breekpunt te bereiken, nam toe. Dit impliceert dat een ster die normaal gesproken stabiel zou zijn, onstabiel kan worden en kan instorten als zij genoeg donkere materie verzamelt. De onderzoekers merkten echter zorgvuldig op dat deze resultaten gebaseerd zijn op specifieke aannames over hoe de donkere materie interageert en hoe de ster wordt gevormd. Ze hebben niet exact berekend hoeveel donkere materie een echte ster uit de ruimte zou opvangen, dus de grote hoeveelheden donkere materie die zij simuleerden, moeten worden beschouwd als theoretische mogelijkheden in plaats van gegarandeerde voorspellingen. De studie dient als een gids voor waar men naar moet zoeken, waarbij wordt aangetoond dat als donkere materie aanwezig is, het een duidelijke vingerafdruk achterlaat op de grootte van de ster, de reactie op zwaartekracht en de trillingspatronen.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuwe manier om de aard van donkere materie te testen met de meest extreme objecten in het universum. De onderzoekers concludeerden dat door metingen van de massa, de grootte, de getijdenreactie en de trillingsfrequenties van een neutronenster te combineren, astronomen potentieel kunnen bepalen of er donkere materie in de ster verborgen zit. De gevonden signaturen zijn duidelijk: een kleinere, moeilijker samen te drukken ster die met een hogere toonhoogte trilt en sneller uitdooft. Hoewel deze veranderingen ook veroorzaakt kunnen worden door andere exotische fysica binnen de ster, biedt het specifieke patroon dat door axion-achtige deeltjes wordt gecreëerd een uniek doelwit voor toekomstige observaties. Naarmate telescopen en detectoren voor zwaartekrachtgolven gevoeliger worden, kunnen zij wellicht deze subtiele verschuivingen opmerken, waardoor de trillingen van verre dode sterren worden omgezet in een instrument voor het oplossen van een van de grootste mysteries in de fysica.