Сверхновые, образующиеся при захвате электронов (ECSNe) — это звёздные взрывы, которые происходят в звёздах с начальной массой примерно в 8–10 раз больше массы Солнца. В этих звёздах образуются ядра из кислорода, неона и магния, которые становятся нестабильными, когда электроны захватываются ядрами неона и магния.
Потеря давления электронов из-за этого запускает коллапс ядра, что приводит к взрыву сверхновой и формированию нейтронной звезды — чрезвычайно плотной звезды, состоящей в основном из нейтронов.
Исследователи из INFN-Pisa и Пизанского университета недавно провели исследование, направленное на то, чтобы пролить новый свет на то, как гипотетический тип тёмной материи, называемый асимметричной тёмной материей (ADM), может влиять на коллапс ядер-прародителей ECSN и последующее формирование нейтронных звёзд.
Их статья, опубликованная в Journal of High Energy Astrophysics, представляет первую согласованную модель звёздной структуры, описывающую возможный вклад ADM в этот астрофизический процесс.
Влияние тёмной материи на формирование нейтронных звёзд
Иньяцио Бомбаци, соавтор статьи, рассказал Phys.org: «Вдохновение для проведения исследования, о котором сообщается в нашей недавней статье, опубликованной в JHEAP, пришло чуть больше года назад, когда я наткнулся на интересное исследование Хирамацу и его коллег, опубликованное в 2021 году».
В своей работе авторы показали, что сверхновая 2018zd (SN2018zd) стала первым убедительным доказательством существования ECSN — нового типа звёздного взрыва, предложенного в начале 1980-х годов японским астрофизиком Кенъичи Номото и его коллегами.
До того как Бомбаци наткнулся на статью Хирамацу и его коллег, он руководил работой Доменико Скордино, который заканчивал обучение по физике в Пизанском университете. Вместе со своим студентом он исследовал возможное влияние фермионной ADM на структурные свойства нейтронных звёзд.
«После прочтения статьи мне сразу стало ясно, что присутствие фермионной тёмной материи в вырожденном ядре из кислорода, неона и магния (¹⁶O, ²⁰Ne, ²⁴Mg) звезды-прародительницы ECSN может сильно повлиять на процесс ECSN, особенно в отношении критического значения массы вырожденного звёздного ядра, при котором может происходить захват электронов на ядрах ²⁰Ne и ²⁴Mg», — сказал Бомбаци.
«Самое главное, я увидел возможность формирования нейтронных звёзд с массой значительно ниже одной солнечной массы — то есть ниже наименьшей массы, измеренной до сих пор (M = 1,174 солнечных масс) для нейтронной звезды, связанной с пульсаром PSR J0453+1559».
Основной целью исследования учёных было изучение влияния тёмной материи на коллапс ядра-прародителя ECSN, последующий взрыв и рождение нейтронной звезды. В своём анализе они рассматривали обычную материю и тёмную материю как две проникающие друг в друга жидкости, взаимодействующие исключительно гравитационно.
«Для этого мы использовали общий релятивистский двухжидкостный формализм, который расширяет стандартные уравнения структуры компактных звёзд для описания равновесных конфигураций, в которых две жидкие компоненты сосуществуют в общем гравитационном поле», — объяснил Скордино, соавтор статьи.
Для моделирования обычной материи они использовали уравнения состояния (EOS), включающие физику захвата электронов. Для тёмной материи они предположили, что она ведёт себя как холодный, идеальный, вырожденный ферми-газ. Для моделирования обычной материи внутри нейтронной звезды они использовали микроскопическое EOS с использованием квантового многочастичного подхода.
Бомбаци, Скордино и их коллега Вишал Пармар впоследствии численно решили уравнения звёздной структуры, рассматривая различные массы и доли частиц тёмной материи. Это позволило им сделать прогнозы о том, как присутствие тёмной материи изменит профиль плотности ядра, похожего на белый карлик, ядра-прародителя ECSN, и повлияет на пороговую массу, при которой произойдёт его коллапс.
«Этот подход позволил нам сопоставить белых карликов-прародителей непосредственно с их нейтронными звёздами-наследниками и количественно оценить, как тёмная материя может снизить энергию взрыва и произвести нейтронные звёзды с необычно малой массой», — сказал Скордино.
«В конечном итоге мы показали, что тёмная материя может привести к коллапсу ядер, похожих на белые карлики, при более низкой гравитационной массе, что приводит к более слабым взрывам и появлению нейтронных звёзд с необычно малой массой».
Это недавнее исследование представляет первую модель, основанную на звёздной структуре, которая описывает роль ADM в коллапсе белых карликов, энергетике ECSNe и последующем появлении нейтронных звёзд. Эта модель может быть полезна как для астрофизических исследований, посвящённых процессу ECSNe, так и, возможно, для будущих поисков тёмной материи.
«Рассматривая обычную материю и тёмную материю как две жидкости, взаимодействующие только гравитационно, мы показали, что даже небольшое количество тёмной материи может сжать ядра белых карликов настолько, что вызовет коллапс при более низких массах, чем считалось ранее», — сказал Пармар, соавтор статьи.
«Это открывает новый путь для формирования необычно лёгких нейтронных звёзд, значительно ниже стандартного диапазона масс, предсказанного традиционными моделями».
В целом модель команды предполагает, что сверхновые с очень низкой энергией или неожиданно лёгкие нейтронные звёзды могут быть косвенными признаками действия тёмной материи внутри звёзд. Последующие исследования могут более подробно изучить эту возможность и её возможные последствия для поисков тёмной материи.
«В более широком смысле наше исследование подчёркивает, что звёздные взрывы, традиционно изучаемые только с точки зрения ядерной физики и физики элементарных частиц, могут также служить естественными лабораториями для изучения свойств тёмной материи, предоставляя нам новое астрофизическое окно в одну из величайших загадок физики», — сказал Пармар.
Бомбаци, Скордино и Пармар сейчас продолжают развивать свою модель и пытаются её усовершенствовать. Например, они планируют включить более реалистичные составы белых карликов и рассмотреть более широкий спектр свойств тёмной материи.
«Мы также хотим изучить, как различное количество тёмной материи может оставить наблюдаемые отпечатки, такие как необычно слабые сверхновые или очень лёгкие нейтронные звёзды, и сравнить эти прогнозы с текущими и будущими наблюдениями», — добавили авторы.
«В долгосрочной перспективе мы надеемся более тесно связать нашу теоретическую работу с мультимессенджерной астрономией, используя данные из телескопов и детекторов гравитационных волн, чтобы проверить, действительно ли тёмная материя формирует жизнь и смерть звёзд. Параллельно мы стремимся изучить, могут ли нейтронные звёзды с малой массой, образовавшиеся в результате ECSNe, предоставить новые ограничения на уравнение состояния нейтронных звёзд при промежуточных плотностях».