Άστρα Νετρονίων, Βαρυτικά Κύματα και Σκοτεινή Ύλη – Συγχωνεύσεις, αποσβέσεις και ο ρόλος ενός υποθετικού ιξώδους

Οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης με τον εαυτό της και την κανονική ύλη είναι τόσο διάχυτες που καθορίζουν την εξέλιξη του σύμπαντος. Δυστυχώς για τους φυσικούς, οι μη-βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης – οι ενδείξεις που θα μπορούσαν να αποκαλύψουν από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη – είναι τόσο αδύναμες που τα εργαστηριακά πειράματα για τη μέτρησή τους έχουν αποδώσει μόνο τα επάνω όρια. Επί πλέον, το κυρίαρχο κοσμολογικό μοντέλο, ΛCDM, μπορεί να εξηγήσει πολλές από μεγάλης κλίμακας δομές του σύμπαντος υποθέτοντας ότι τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν μόνο μέσω της βαρύτητας.

Ο εντοπισμός μιας ασθενούς αλληλεπίδρασης μερικές φορές συνεπάγεται τη δημιουργία μιας ισχυρής διαταραχής. Όπως προτείνουν ο Shuo Cao και οι συνάδελφοί του από το Beijing Normal University, σε μια νέα τους μελέτη, η διαταραχή που απαιτείται για να αποκαλύψει τη μη-βαρυτική συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να προέλθει από τη συγχώνευση δυο άστρων νετρονίων. Τα βαρυτικά κύματα, που παράγονται από την σπειροειδή περιδίνηση των άστρων νετρονίων, αναπόφευκτα περνάνε μέσω της άλω της σκοτεινής ύλης που περικλείει τον γαλαξία που περιβάλλεται από αυτή και εκείνης όποιων άλλων γαλαξιών βρίσκονται στη γραμμή του σήματος. Αν τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν μη-βαρυτικά μεταξύ τους, τα κύματα θα βιώσουν μια δύναμη παρόμοια με το ιξώδες. Αυτό το ιξώδες θα αποσβένει και θα καθυστερεί τα κύματα με έναν δυνητικά μετρήσιμο τρόπο.

Τα αποσβεννύμενα λόγω ιξώδους βαρυτικά κύματα από μια συγχώνευση άστρων νετρονίων θα φθάσουν σε έναν παρατηρητή μετά από οποιοδήποτε ξέσπασμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που παράγει η συγχώνευση. Μια άλλη πηγή καθυστέρησης προκύπτει μεταξύ των βαρυτικών κυμάτων που φθάνουν στον παρατηρητή άμεσα και εκείνων που ακολουθούν έναν μεγαλύτερο δρόμο λόγω ενός ενδιάμεσου γαλαξία, που δρώντας ως βαρυτικός φακός, τα εστίασε στον ορίζοντα.

Μπορούν αυτές οι καθυστερήσεις να μετρηθούν με ικανή ακρίβεια για να αποδώσουν το ιξώδες της σκοτεινής ύλης; Για να προσδιορίσουν την απάντηση, ο Cao και οι συνεργάτες του έπρεπε να υποθέσουν ευλογοφανείς τιμές για το επακόλουθο αποτέλεσμα. Το σημείο έναρξής τους είναι η δυσκολία που το ΛCDM αντιμετωπίζει στην αιτιολόγηση του αριθμού των νάνων γαλαξιών και του ποσού της σκοτεινής ύλης στα κέντρα των κανονικών γαλαξιών. Η πηγή της ασυμφωνίας δεν είναι γνωστή. Όμως αν αυτή είναι λόγω της μη-βαρυτικής αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης με τον εαυτό της, (τότε) το μέγεθος της ασυμφωνίας αποδίδει μια εκτίμηση του υποτιθέμενου ιξώδους της σκοτεινής ύλης. Ένα άλλο συστατικό στην συνταγή είναι ένας αληθοφανής ρυθμός συγχωνεύσεων άστρων νετρονίων με μια συγκεκριμένη μετατόπιση στο ερυθρό.

Το αναμενόμενο σήμα από τις χρονικές καθυστερήσεις που επάγονται από το ιξώδες είναι πολύ ασθενές για τους ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων που τώρα βρίσκονται σε λειτουργία, τους LIGO και Virgo. Όμως μετά το τρέξιμο προσομοιώσεων κάτω από διάφορες συνθήκες, ο Cao και οι συνεργάτες του συμπέραναν ότι το σήμα είναι μέσα στο πεδίο των δυο προτεινόμενων νέων ανιχνευτών: του επίγειου Τηλεσκοπίου Einstein και του διαστημικού Παρατηρητή της Μεγάλης Έκρηξης.