neutrino

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.