astrofizică

O linguriță de materie neutronică cântărește miliarde de tone. Când două astfel de obiecte ultradense se ciocnesc, nu numai că creează unde gravitaționale puternice, dar lasă și o cicatrice permanentă în structura spațiu-timpului.

Un studiu realizat de o echipă internațională de oameni de știință, publicat în Physical Review Letters, examinează așa-numitul efect de memorie al undelor gravitaționale, relatează . Stelele neutronice se formează în urma exploziei unei supernove. Aceste obiecte compacte, cu un diametru de aproximativ 20 de kilometri și o masă mai mare decât cea a Soarelui, conțin materie comprimată la limită: atomii sunt distruși, iar materialul este format aproape în întregime din neutroni. Când două astfel de stele se apropie una de cealaltă, sistemul începe să emită unde gravitaționale, care au fost deja detectate de detectoarele LIGO și Virgo.

Efectul de memorie: o undă care nu dispare niciodată

De obicei, o undă gravitațională întinde și comprimă spațiul, după care totul revine la starea sa inițială. Totuși, teoria lui Einstein prezice altceva: după ce trece unda, poate rămâne o deplasare mică, dar permanentă. Particulele din detector nu se întorc exact la pozițiile lor inițiale. Această urmă reziduală se numește efect de memorie.

Primele astfel de calcule au fost efectuate de Yakov Zeldovich și Alexander Polnarev în 1974. Ulterior, Demetrios Christodoulou a arătat că neliniaritatea ecuațiilor lui Einstein amplifică acest efect. Cercetările moderne au adăugat noi surse de contribuție - radiația electromagnetică și fluxul de neutrini.

Câmpuri magnetice, neutrini și 50% din semnal

Oamenii de știință de la Universitatea din Illinois, Academia din Atena, Universitatea din Valencia și Universitatea de Stat Montclair au modelat fuziunea stelelor neutronice cu mase, ecuații de stare și configurații ale câmpului magnetic diferite. Aceștia au luat în considerare separat ejecția neutrinilor și a materiei barionice pentru a înțelege contribuția fiecărui factor.

S-a dovedit că câmpurile magnetice, neutrinii și materia ejectată reprezintă 15 până la 50% din memoria gravitațională totală. Mai mult, un câmp magnetic mai puternic nu înseamnă întotdeauna un efect mai mare: în unele cazuri, sistemele magnetizate au demonstrat o memorie netă mai mică. Spre deosebire de găurile negre, stelele neutronice pot acumula memorie mai mult timp după coliziunea principală.

Observarea acestui efect ar fi un test important al relativității generale. Detectarea memoriei ar oferi informații despre masa, structura internă și câmpul magnetic al stelei neutronice. Detectoarele de unde gravitaționale ar putea sonda în mod eficient materia ultradensă, inaccesibilă experimentelor de laborator. Deși acesta este doar un prim pas, oamenii de știință speră că observațiile viitoare vor dezvălui această „cicatrice” în univers.

Cosmologia modernă s-a confruntat cu o defecțiune sistemică. Conform unui studiu publicat în revista Nature Astronomy, calculele evoluției Universului nu mai corespund observațiilor reale. Oamenii de știință recunosc că, atunci când extrapolează date din cosmosul timpuriu, cu miliarde de ani în viitor, teoria dă un rezultat diferit față de telescoape.

Fizicienii au o hartă extrem de precisă a Universului timpuriu. Aceasta se bazează pe radiația cosmică de fond și este considerată standardul. Cu toate acestea, folosind Modelul Standard și ecuațiile lui Einstein, cosmosul modern ar trebui să fie mai „neuniform”. Realitatea s-a dovedit a fi diferită.

Tensiunea S8: Unde teoria se prăbușește

Cosmologii își testează modelele în două moduri. Prima se bazează pe o analiză a radiației cosmice de fond înregistrate de satelitul Planck. Aceste date descriu universul de acum 380.000 de ani și le permit să calculeze viitorul acestuia.

A doua metodă este observarea directă a Universului modern. Aceasta folosește metoda lentilei gravitaționale slabe. Masa, în principal materia întunecată, deformează spațiu-timpul și distorsionează lumina galaxiilor îndepărtate. Aceste distorsiuni sunt folosite pentru a construi o hartă a distribuției materiei.

Problema este că metodele nu mai sunt concorde. Măsurătorile moderne arată o distribuție mai uniformă a materiei. Valoarea parametrului S8 este mai mică decât cea așteptată. Discrepanța ajunge la 2-3 sigma. Pentru fizică, aceasta indică fie o eroare sistematică, fie un model incomplet.

Un sector întunecat cu o conexiune neașteptată

În cosmologia standard, materia întunecată este considerată rece și pasivă. Ea interacționează cu lumea înconjurătoare aproape exclusiv prin gravitație. Neutrinii sunt, de asemenea, considerați a fi particule practic independente, care pătrund liber în spațiu.

Autorii noii lucrări au propus un scenariu diferit. Ei au admis împrăștierea elastică între materia întunecată și neutrini. În universul timpuriu, neutrinii erau extrem de denși și rapizi. Chiar și interacțiunea slabă le permitea să transfere impuls particulelor de materie întunecată.

Acest proces duce la un fenomen numit amortizare a difuziei. Gravitația tinde să colecteze materia întunecată în halouri dense, în timp ce împrăștierea neutrinilor împiedică acest lucru. Drept urmare, creșterea structurilor încetinește, iar fluctuațiile mici de densitate sunt atenuate.

Conform calculelor, acest lucru este ceea ce scade parametrul S8. Universul apare astăzi mai omogen decât a prezis modelul standard fără interacțiuni.

Date, simulări și limitele descoperirii

Pentru a testa ipoteza, oamenii de știință au combinat mai multe surse independente de observații:

• Datele satelitului Planck
• Măsurători de înaltă rezoluție unghiulară cu telescop ACT
• Harta distribuției materiei DES Y3

Analiza a inclus modelare computerizată complexă și luarea în considerare a gravitației neliniare. Analiza statistică a arătat că modelul Lambda-CDM standard oferă o descriere slabă a setului de date. Un model cu interacțiuni între materia întunecată și neutrini rezolvă discrepanța.

Intensitatea optimă de interacțiune este estimată la aproximativ 10^-4. Semnificația statistică atinge nivelul de 3 sigma. În fizică, aceasta este considerată o dovadă serioasă, dar nu este încă o descoperire.

Dacă descoperirile se confirmă, materia întunecată va înceta să mai fie un fenomen de fond pasiv. Va deveni un participant activ la procesele din Univers. Observațiile viitoare ale Observatorului Vera Rubin și ale telescopului CSST ar trebui să ofere răspunsul final.

Astronomii au raportat posibila primă observație a materiei întunecate, potrivit publicației Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Studiul este deja considerat una dintre cele mai interesante descoperiri din astrofizica modernă, deși rezultatele sale necesită confirmare.

Cum a apărut misterul materiei întunecate

Materia întunecată este o substanță invizibilă despre care se estimează că reprezintă peste 85% din toată materia din Univers. Ea leagă galaxiile între ele, dar nu interacționează cu materia obișnuită în niciun alt mod în afară de gravitație. Prin urmare, detectarea ei directă era considerată aproape imposibilă.

Astronomul Tomonori Totani explică faptul că materia barionică obișnuită este prea insuficientă pentru a menține galaxiile laolaltă. Modelele sugerează că materia întunecată o depășește numeric de cinci ori, creând un „schelet” în jurul căruia se formează stelele și planetele.

Ce au descoperit mai exact cercetătorii?

O teorie importantă susține că materia întunecată este compusă din WIMP-uri - particule masive care interacționează slab. Când se ciocnesc, ar trebui să se anihileze, producând raze gamma. Astronomii încearcă să detecteze acest semnal de zeci de ani.

O echipă a analizat date acumulate timp de 15 ani de la Telescopul Spațial Fermi Gamma-ray al NASA și a descoperit un halou de raze gamma în apropierea centrului Căii Lactee.

Potrivit autorilor studiului, „
Am detectat raze gamma cu energii fotonice de 20 de gigaelectronvolți care se propagă într-o structură asemănătoare unui halo. Intensitatea radiației este în concordanță cu anihilarea unei WIMP cu o masă de aproximativ 500 de ori mai mare decât cea a unui proton.”

Scepticismul și nevoia de verificare

Nu toți colegii împărtășesc entuziasmul. Teoreticianul Kinwa Wu a declarat:
„Avem nevoie de dovezi extraordinare pentru a face o afirmație extraordinară. Această analiză nu a atins încă acest statut.”

Totani este de acord că rezultatele sunt preliminare. Pentru a confirma descoperirea, este necesar să se găsească o semnătură similară de raze gamma în galaxiile pitice din jurul Căii Lactee. Acest lucru va deveni posibil odată ce se vor acumula mai multe date.

Încă mai suntem departe de a ajunge la concluzii definitive. Însă astronomii consideră deja observația drept una dintre cele mai promițătoare căutări efectuate vreodată pentru materie „fantomă” din Univers.

Astronomii au raportat un rezultat senzațional: sistemul solar s-ar putea deplasa prin spațiu de peste trei ori mai repede decât se aștepta.

Cercetătorii au folosit rețeaua de radiotelescoape LOFAR și alte două instrumente pentru a studia distribuția radiogalaxiilor. Aceste descoperiri au contestat modelul standard al cosmologiei.

Galaxiile radio conțin regiuni gigantice de emisie radio alimentate de nuclee active. Undele radio trec prin gaz și praf, așa că distribuția acestor obiecte ajută la măsurarea mișcării Sistemului Solar. Ar trebui să existe puțin mai multe galaxii radio în direcția sa, dar abaterea este atât de mică încât doar instrumente extrem de sensibile o pot detecta.

Echipa a descoperit o anizotropie de 3,7 ori mai puternică decât cea prezisă. Aceasta înseamnă că sistemul nostru se mișcă mult mai repede decât se credea anterior. Rezultatele sunt în concordanță cu observațiile în infraroșu ale quasarilor - surse puternice de energie alimentate de găuri negre supermasive. Concordanța dintre cele două metode independente indică faptul că aceasta este o caracteristică autentică a cosmosului și nu o eroare de observație.

Cercetătorii de la Universitatea Johns Hopkins au raportat că o misterioasă strălucire de raze gamma din centrul Căii Lactee ar putea fi cheia pentru a dezvălui natura materiei întunecate.

După cum explică publicația, această strălucire i-a nedumerit pe oamenii de știință timp de decenii - originea sa rămâne neclară, dar acum fizicienii au o nouă explicație.

Oamenii de știință au folosit date de la Telescopul Spațial Fermi Gamma-ray pentru a modela distribuția materiei întunecate în haloul galactic. Aceasta este prima dată când istoria formării Căii Lactee de la începuturile sale a fost luată în considerare în calculele lor. Simulările au arătat o potrivire între distribuția teoretică a particulelor și semnalele de raze gamma observate, ceea ce ar putea indica implicarea materiei întunecate.

Există însă o ipoteză alternativă: strălucirea ar putea proveni de la stele neutronice care se rotesc rapid - pulsari de milisecundă. Dacă da, galaxia ar trebui să conțină mult mai multe astfel de obiecte decât se credea anterior. Acest lucru ne obligă să reconsiderăm conceptele fundamentale ale evoluției stelare.

Pentru a testa aceste teorii, oamenii de știință au propus o serie de experimente. Aceștia intenționează să măsoare nivelurile de energie ale razelor gamma: dacă energiile sunt mari, pulsarii sunt de vină; dacă sunt mici, sursa este probabil materia întunecată. De asemenea, ei intenționează să cartografieze distribuția materiei întunecate în galaxiile pitice care înconjoară Calea Lactee și să compare aceste date cu observațiile viitoare de la noul Observator Cherenkov Telescope Array.

Rezultatele finale sunt așteptate până la sfârșitul deceniului. Dacă ipoteza este confirmată, omenirea se va apropia pentru prima dată de înțelegerea din ce este alcătuită marea majoritate a universului. Deocamdată, materia întunecată rămâne cel mai încăpățânat mister al cosmosului.