Karanlık maddenin elektron yakalayan süpernovaları ve nötron yıldızlarının doğuşunu nasıl değiştirdiğini keşfetmek

Elektron yakalayan süpernovalar (ECSNe), başlangıç ​​kütleleri Güneş’in yaklaşık 8-10 katı olan yıldızlarda meydana gelen yıldız patlamalarıdır. Bu yıldızlar, elektronlar neon ve magnezyum çekirdekleri tarafından yakalandığında kararsız hale gelen oksijen-neon-magnezyum çekirdekleri geliştirir.

Ortaya çıkan elektron basıncı kaybı, çekirdeğin çökmesini tetikleyerek bir süpernova patlamasına ve çoğunlukla nötronlardan oluşan son derece yoğun bir yıldız olan bir nötron yıldızının oluşumuna yol açar.

INFN-Pisa ve Pisa Üniversitesi’ndeki araştırmacılar yakın zamanda, asimetrik karanlık madde (ADM) adı verilen varsayımsal bir karanlık madde türünün, ECSN öncül çekirdeklerinin çöküşünü ve ardından nötron yıldızlarının oluşumunu nasıl etkileyebileceğine yeni bir ışık tutmayı amaçlayan bir çalışma gerçekleştirdi.

Makaleleri, dergide yayınlandı. Yüksek Enerji Astrofiziği DergisiADM’nin bu astrofiziksel sürece olası katkısının ilk kendi kendine tutarlı yıldız yapısı modelini sunuyor.

Makalenin ortak yazarı Ignazio Bombaci, CEİD’a şunları söyledi: “JHEAP’ta yayınlanan son makalemizde bildirilen araştırmayı yürütme ilhamım, bir yıldan biraz daha uzun bir süre önce, Hiramatsu ve arkadaşlarının 2021’de yayınlanan ilginç bir çalışmasına rastladığımda geldi.”

“Yazarlar, çalışmalarında, süpernova 2018zd’nin (SN2018zd), Japon astrofizikçi Ken’ichi Nomoto ve işbirlikçileri tarafından 1980’lerin başında önerilen yeni bir yıldız patlaması türü olan ECSN’nin ilk ikna edici gözlemsel kanıtını temsil ettiğini gösterdi.”

Bombaci, Hiramatsu ve meslektaşlarının 2021 tarihli makalesine rastlamadan önce, Pisa Üniversitesi’nde Fizik alanında yüksek lisansını tamamlayan Domenico Scordino’nun çalışmalarını denetliyordu. Öğrencisiyle birlikte fermiyonik ADM’nin nötron yıldızlarının yapısal özellikleri üzerindeki olası etkilerini araştırıyordu.

“Makaleyi okuduktan sonra oksijen, neon ve magnezyumun yozlaşmış çekirdeğinde fermiyonik karanlık maddenin varlığını hemen anladım (¹⁶O, ²⁰Hayır, ²⁴ECSN öncü yıldızının Mg)’si ECSN sürecini güçlü bir şekilde etkileyebilir, özellikle de dejenere yıldız çekirdeğinin kritik kütle değeri ile ilgili olarak, bunun ötesinde elektron yakalamanın ötesinde ²⁰Ne ve ²⁴Mg çekirdekleri oluşabilir” dedi Bombaci.

“En önemlisi, kütleleri bir güneş kütlesinin çok altında olan, yani pulsar PSR J0453+1559 ile ilişkili nötron yıldızı için şu ana kadar ölçülen en küçük kütlenin (M = 1,174 güneş kütlesi) altında olan nötron yıldızları oluşturma olasılığını gördüm.”

Araştırmacıların çalışmasının temel amacı, karanlık maddenin ECSN öncü çekirdeğinin çöküşü, ardından gelen patlama ve nötron yıldızının doğuşu üzerindeki etkisini araştırmaktı. Analizlerinde sıradan madde ve karanlık maddeyi, yalnızca kütleçekimsel etkilerle etkileşime giren, birbirine geçen iki sıvı olarak ele aldılar.

Makalenin ortak yazarı Scordino, “Bunu yapmak için, iki akışkan bileşenin ortak bir çekim alanı altında bir arada var olduğu denge konfigürasyonlarını tanımlamak için standart kompakt yıldız yapısı denklemlerini genişleten genel göreli iki akışkan formalizmini kullandık” diye açıkladı.

“Sıradan madde için, elektron yakalama fiziğini içeren durum denklemlerini (EOS) kullanarak neon bakımından zengin beyaz cüceleri (elektron yakalayan süpernovaların tipik öncüleri) modelledik. Karanlık madde için soğuk, ideal, dejenere Fermi gazı gibi davrandığını varsaydık, nötron yıldızı içindeki sıradan maddeyi modellemek için ise kuantum çoklu cisim yaklaşımını kullanan mikroskobik bir EOS kullanıyoruz.”

Bombaci, Scordino ve meslektaşları Vishal Parmar daha sonra farklı karanlık madde parçacık kütlelerine ve fraksiyonlarına bakarak yıldızların yapısal denklemlerini sayısal olarak çözdüler. Bu onların, karanlık maddenin varlığının ECSN öncüsünün beyaz cüce benzeri çekirdeğinin yoğunluk profilini nasıl değiştireceği ve çöküşünün gerçekleşeceği eşik kütleyi nasıl etkileyeceği hakkında tahminlerde bulunmalarına olanak sağladı.

Scordino, “Bu yaklaşım, ata beyaz cüceleri doğrudan nötron yıldızı kalıntılarıyla eşleştirmemize ve karanlık maddenin patlama enerjisini nasıl azaltabileceğini ve alışılmadık derecede düşük kütleli nötron yıldızları üretebileceğini ölçmemize olanak sağladı” dedi.

“Sonuçta, karanlık maddenin beyaz cüce benzeri çekirdeklerin daha düşük bir çekimsel kütlede çökmesine neden olabileceğini, bunun da daha zayıf patlamalara yol açabileceğini ve alışılmadık derecede düşük kütleli nötron yıldızları üretebileceğini gösterdik.”

Bu yeni çalışma, beyaz cücelerin çöküşünde, ECSNe enerjilerinde ve ardından nötron yıldızlarının ortaya çıkışında ADM’nin rolünü özetleyen ilk yıldız yapısına dayalı modeli tanıtıyor. Bu model, hem ECSNe sürecine odaklanan astrofizik çalışmalarına hem de potansiyel olarak gelecekteki karanlık madde araştırmalarına bilgi verebilir.

Makalenin ortak yazarı Parmar, “Sıradan madde ve karanlık maddeyi yalnızca yerçekimi yoluyla etkileşime giren iki sıvı olarak ele alarak, az miktarda karanlık maddenin bile beyaz cüce çekirdeklerini daha önce düşünülenden daha düşük kütlelerde çöküşü tetikleyecek kadar sıkıştırabildiğini gösterdik” dedi.

“Bu, geleneksel modellerin öngördüğü standart kütle aralığının çok altında, alışılmadık derecede hafif nötron yıldızları oluşturmak için yeni bir yol açıyor.”

Genel olarak ekibin modeli, çok düşük enerjili süpernovaların veya beklenmedik derecede hafif nötron yıldızlarının, yıldızların içindeki karanlık maddenin dolaylı işaretleri olabileceğini öne sürüyor. Takip çalışmaları bu olasılığı ve bunun karanlık madde araştırmaları üzerindeki olası sonuçlarını daha fazla araştırabilir.

Parmar, “Daha geniş anlamda, çalışmamız, geleneksel olarak yalnızca nükleer ve parçacık fiziği açısından incelenen yıldız patlamalarının, aynı zamanda karanlık maddenin özelliklerini araştırmak için doğal laboratuvarlar olarak da hizmet verebileceğini ve bize fizikteki en büyük gizemlerden birine yeni bir astrofiziksel pencere sunabileceğini vurguluyor” dedi.

Bombaci, Scordino ve Parmar şimdi son çalışmalarını geliştiriyor ve yıldız modellerini geliştirmeye çalışıyor. Örneğin, daha gerçekçi beyaz cüce bileşimlerini dahil etmeyi ve daha geniş bir yelpazedeki karanlık madde özelliklerini dikkate almayı planlıyorlar.

Yazarlar, “Ayrıca, alışılmadık derecede soluk süpernovalar veya çok hafif nötron yıldızları gibi farklı miktarlardaki karanlık maddenin nasıl gözlemlenebilir parmak izleri bırakabileceğini araştırmak ve bu tahminleri mevcut ve gelecek gözlemlerle karşılaştırmak istiyoruz” diye ekledi.

“Uzun vadede, karanlık maddenin yıldızların yaşamlarını ve ölümlerini gerçekten şekillendirip şekillendirmediğini test etmek için teleskoplardan ve yerçekimsel dalga dedektörlerinden elde edilen verileri kullanarak teorik çalışmamızı çoklu haberci astronomi ile daha yakından birleştirmeyi umuyoruz. Buna paralel olarak, ECSNe’den kaynaklanan düşük kütleli nötron yıldızlarının, ara yoğunluklarda nötron-yıldız durum denklemi üzerinde yeni kısıtlamalar sağlayıp sağlayamayacağını araştırmayı amaçlıyoruz.”