Mendeteksi materi gelap dengan bintang neutron

Pencarian sifat materi gelap adalah salah satu tantangan terbesar yang dihadapi sains saat ini, tetapi kunci untuk pemahaman akhir tentang zat misterius ini mungkin terletak pada bintang-bintang.

Atau tepatnya, jenis bintang tertentu – the neutron Bintang.

Sejauh ini, para ilmuwan telah mampu menentukan keberadaan kegelapan obyektetapi tidak mengamati secara langsung. Benar-benar mengenali Partikel materi gelap dalam percobaan di bumi adalah tugas yang menakutkan, karena interaksi partikel materi gelap dengan materi biasa sangat jarang.

Untuk mencari sinyal yang sangat langka ini, kita membutuhkan detektor yang sangat besar – mungkin sangat besar sehingga tidak praktis untuk membangun detektor yang cukup besar di Bumi. Namun, alam menawarkan pilihan alternatif dalam bentuk bintang neutron – seluruh bintang neutron dapat bertindak sebagai pendeteksi materi gelap utama.

Dalam penelitian yang dipublikasikan di Surat ulasan fisik, kami menemukan seberapa banyak informasi yang lebih akurat yang dapat dikumpulkan dari detektor materi gelap yang unik ini.

Bintang neutron adalah bintang terpadat yang diketahui dan terbentuk ketika bintang raksasa mati dalam ledakan supernova. Yang tersisa adalah inti yang runtuh di mana gravitasi menekan materi begitu erat sehingga proton dan elektron bergabung untuk membentuk neutron. Dengan massa yang sebanding dengan matahari – dikompresi hingga radius 10 km – satu sendok teh bahan bintang neutron memiliki massa sekitar satu miliar ton!

Bintang-bintang ini adalah “laboratorium kosmik” yang memungkinkan kita mempelajari bagaimana materi gelap berada di bawahnya kondisi ekstrim yang tidak dapat direproduksi di bumi.

Materi gelap berinteraksi sangat lemah dengan materi biasa. Misalnya, ia dapat melewati satu tahun cahaya timah (sekitar 10 triliun kilometer) tanpa henti. Namun luar biasa, bintang neutron begitu padat sehingga berpotensi menjebak partikel materi gelap apa pun yang melintasinya.

Secara teoritis, partikel materi gelap akan bertabrakan dengan neutron di bintang, kehilangan energi dan terperangkap secara gravitasi. Seiring waktu, partikel materi gelap akan menumpuk di inti bintang. Ini diperkirakan akan memanaskan bintang-bintang neutron tua yang dingin ke tingkat yang mungkin tidak terjangkau untuk pengamatan di masa depan. Dalam kasus ekstrim, akumulasi materi gelap dapat menyebabkan bintang runtuh ke dalam lubang hitam.

Ini berarti bahwa bintang neutron memungkinkan kita mempelajari jenis materi gelap tertentu yang akan sulit atau tidak mungkin diamati dalam eksperimen di Bumi.

Di Bumi, eksperimen materi gelap mencari sinyal rekoil nuklir kecil yang disebabkan oleh tabrakan yang sangat langka antara partikel materi gelap yang bergerak lambat. Sebagai perbandingan, medan gravitasi yang kuat dari bintang neutron mempercepat materi gelap ke kecepatan kuasi-relativistik, yang mengarah ke tabrakan dengan energi yang jauh lebih tinggi.

Masalah lain untuk deteksi di Bumi adalah bahwa eksperimen recoil nuklir paling sensitif terhadap partikel materi gelap yang memiliki massa serupa dengan inti atom, sehingga lebih sulit untuk mendeteksi materi gelap yang jauh lebih ringan atau lebih berat.

Namun, secara teori, partikel materi gelap dapat terperangkap di bintang dan planet dalam jumlah yang signifikan, terlepas dari seberapa ringan atau beratnya mereka.

Tantangan kritis dalam menggunakan bintang neutron untuk mendeteksi materi gelap adalah untuk memastikan bahwa perhitungan yang digunakan oleh para ilmuwan sepenuhnya memperhitungkan lingkungan unik bintang tersebut. Meskipun penangkapan materi gelap di bintang neutron telah dipelajari selama beberapa dekade, perhitungan yang ada telah mengabaikan efek fisik yang penting.

Oleh karena itu, tim kami mulai meningkatkan penghitungan tingkat penangkapan materi gelap secara signifikan – yaitu, seberapa cepat materi gelap terakumulasi Bintang neutron– yang mengubah jawaban secara signifikan.

Penelitian kami dengan tepat memperhitungkan struktur nukleon daripada memperlakukan neutron sebagai partikel titik, dan memperhitungkan efek gaya kuat antara nukleon daripada memodelkan neutron sebagai partikel gas bebas. Ini dibangun di atas pekerjaan kami sebelumnya di mana kami mempertimbangkan komposisi bintang, efek relativistik, statistik kuantum, dan pemfokusan gravitasi.

Sederhananya, kami telah menunjukkan cara berpikir yang benar tentang tabrakan dengan materi gelap di lingkungan bintang neutron ekstrem yang sangat berbeda dari detektor materi gelap di Bumi.

Penelitian baru ini sangat meningkatkan akurasi dan ketahanan perkiraan tingkat penangkapan materi gelap kami. Ini membuka jalan bagi kita untuk lebih menentukan kekuatan interaksi antara materi gelap dan materi biasa.

Pada akhirnya, bukti (atau kurangnya bukti) akumulasi materi gelap di bintang akan memberikan petunjuk berharga tentang di mana upaya eksperimental harus dilakukan untuk mengungkap misteri Materi gelap.