Fizikçiler, yerçekimsel dalga dedektörlerini kullanarak karanlık maddeyi araştırmak için yeni bir yöntem geliştirdiler ve potansiyel olarak karanlık madde parçacıklarının nötron yıldızları üzerindeki etkilerini ortaya çıkardılar. Bu yaklaşım, karanlık maddeye dair yeni bilgiler sunarak mevcut dedektörlerin ulaşamayacağı bir noktaya ulaşıyor ve gelişmiş kütleçekimsel dalga gözlemevleriyle gelecekteki keşiflerin önünü açıyor.
Karanlık madde, Evreni anlamamız açısından temel bir öneme sahip olsa da, onun kesin doğası hâlâ bir sır olarak kalıyor. Karanlık maddenin kimliğini ortaya çıkarmak kozmoloji ve parçacık fiziğinde çok önemli bir hedeftir.
Tata Temel Araştırma Enstitüsü, Hindistan Bilim Enstitüsü ve Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden fizikçilerin ortak çalışması, karanlık maddeyi araştırmak için yeni bir yöntem sundu. Bu yöntem, karanlık maddenin nötron yıldızları üzerindeki potansiyel etkilerini tespit etmek için yerçekimsel dalga aramalarını kullanır.
Yeni Metodoloji Açıklandı
TIFR’de yüksek lisans öğrencisi olan Sulagna Bhattacharya ve yayınlanan çalışmanın baş yazarı Fiziksel İnceleme Mektupları, açıklıyor – galaksideki karanlık madde parçacıkları, yerçekimi olmayan etkileşimleri nedeniyle nötron yıldızlarında birikebilir. Birikmiş parçacıklar, ufacık bir şeye çöken yoğun bir çekirdek oluşturur. Kara delik karanlık madde parçacığının ağır olduğu ve antiparçacık karşılığının bulunmadığı senaryosunda; Laboratuvar deneylerinde başka türlü test edilmesi zor olan bir senaryo.
İzin verilen geniş bir karanlık madde parçacık kütlesi aralığı için, başlangıçtaki tohum kara deliği, ev sahibini tüketir nötron yıldızı ve onu nötron yıldızı kütleli bir kara deliğe dönüştürür. Yıldız evrimi teorileri, Tolman-Oppenheimer-Volkoff limitinde kodlandığı gibi, nötron yıldızlarının Güneş kütlesinin yaklaşık 2,5 katını aştığında kara deliklerin oluştuğunu öngörmektedir; ancak burada karanlık madde, genellikle daha küçük olan düşük kütleli kara deliklere yol açmaktadır. maksimum nötron yıldızından daha fazladır.
Karanlık madde grafiğinin sondaları olarak yerçekimsel dalga dedektörleri. Kredi bilgileri: Basudeb Dasgupta
Çalışmayı yöneten Anupam Ray şunu belirtiyor: “Henüz başka hiçbir deney tarafından göz ardı edilmeyen karanlık madde parametreleri açısından, galaksinin yoğun bölgelerindeki eski ikili nötron yıldız sistemlerinin ikili kara delik sistemlerine dönüşmüş olması gerekir. Anormal derecede düşük kütleli birleşmeler görmezsek, bu durum karanlık maddeye yeni kısıtlamalar getirir.”
Karanlık Madde ile Kara Deliklerin Bağlantısı
İlginç bir şekilde, tespit edilen bazı olaylar LİGOörneğin GW190814 ve GW190425’in en az bir düşük kütleli kompakt nesneyi içerdiği görülmektedir. Hawking ve Zeldovich’in 1960’lardaki öncü çalışmalarına dayanan heyecan verici bir öneri, düşük kütleli kara deliklerin ilkel bir kökene sahip olabileceği, yani evrenin çok erken dönemlerinde son derece nadir fakat büyük yoğunluk dalgalanmaları tarafından yaratılmış olabileceği yönünde.
Bu düşüncelerden yola çıkan LIGO işbirliği, düşük kütleli kara deliklere yönelik hedefli aramalar gerçekleştirdi ve sınırlar belirledi. Bhattacharya ve işbirlikçileri tarafından yapılan bu çalışma, düşük kütleli birleşmelerin LIGO tarafından tespit edilememesinin aynı zamanda karanlık madde parçacıklarına da katı kısıtlamalar getirdiğini gösteriyor.
Bu çalışmada sunulan kısıtlamalar, özellikle ağır karanlık madde parçacıkları için XENON1T, PANDA, LUX-ZEPLIN gibi mevcut karasal karanlık madde dedektörlerinin ulaşamayacağı parametre alanını keşfettikleri için önemli bir değere sahiptir.
Yerçekimi Dalgası Gözlemlerinin Geleceği
Düşük kütleli kara deliklerin birleşmelerinin yalnızca LIGO, VIRGO ve KAGRA gibi mevcut yerçekimsel dalga dedektörleri kullanılarak değil, aynı zamanda Gelişmiş LIGO, Kozmik Kaşif ve Einstein Teleskobu gibi yeni çıkacak dedektörler tarafından da tespit edilebilmesi bekleniyor. Mevcut yerçekimsel dalga deneylerinde planlanan iyileştirmeler dikkate alınarak ve bunların artan hassasiyeti ve gözlem süresi hesaba katılarak, çalışma önümüzdeki on yıl içinde elde edilebilecek kısıtlamaları tahmin ediyor.
Özellikle, çalışma, kütleçekim dalgası gözlemlerinin, geleneksel karanlık madde dedektörlerinin astrofiziksel nötrino arka planlarıyla uğraşmak zorunda olduğu sözde “nötrino tabanı”nın çok altındaki ağır karanlık madde arasındaki son derece zayıf etkileşimleri araştırabildiğini gösteriyor.
Bunun yerine, eğer gelecekte egzotik düşük kütleli kara delikler keşfedilirse, bu, karanlık maddenin doğası hakkında değerli bir ipucu olabilir. Yazarlar iyimser bir şekilde şunları belirterek imzayı atıyorlar: “Kara deliklerin doğrudan tespiti için zaten yararlı olduğu kanıtlanmış olan yerçekimsel dalga dedektörleri ve yerçekimi dalgaları Einstein’ın öngördüğü gibi, karanlık madde teorilerini test etmek için de güçlü bir araç olabilir.”
Referans: “LIGO Yok Edici Karanlık Maddeyi Tespit Edebilir mi?” Yazan: Sulagna Bhattacharya, Basudeb Dasgupta, Ranjan Laha ve Anupam Ray, 29 Ağustos 2023, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.091401
Çalışma, Atom Enerjisi Bakanlığı (Hindistan Hükümeti), Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (Hindistan Hükümeti), Swarnajayanti Bursu aracılığıyla, Max Planck Ortak Grubu ve Hindistan Bilim Enstitüsü aracılığıyla Max-Planck-Gesellschaft tarafından finanse edildi. , Bengaluru, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı (Hindistan Hükümeti), Ulusal Bilim Vakfı, Heising-Simons Vakfı ve Infosys Vakfı (Bengaluru).