Почему нейтронные звезды не полны темной материи?

Темная материя взаимодействует с силой гравитации, верно? Ну, в отличие от черных дыр, нейтронные звезды на самом деле видны, и они представляют собой огромный гравитационный поглотитель, поэтому к ним должна скапливаться темная материя.

Но если все это правда, как кажется, почему астрономы не обнаружили и не использовали нейтронные звезды для обнаружения темной материи?

Недавние наблюдения анализируются, чтобы определить, согласуется ли радиальная плотность нейтронной звезды с (или не согласуется) с возможным существованием темной материи в ядре. Это открытый вопрос.
Я мог бы добавить, что «темная материя» — это просто термин, применяемый к вещам, о которых мы не знаем, что это такое и существует ли вообще. Все еще возможно, что наше нынешнее понимание сил является неполным.
Нейтронные звезды могут быть недостаточно большими, чтобы замедлить частицы темной материи до такой степени, что они будут захвачены гравитацией. ОТО, они могут быть. В последний раз, когда я смотрел, мы имели слабое представление о профиле скорости (горячая или холодная) темной материи, если она существует.
"они - огромный гравитационный поглотитель" -- Не совсем; нейтронные звезды имеют массу, в несколько раз превышающую массу Солнца, поэтому они являются не более «гравитационным стоком», чем многие звезды.
И «темная материя должна собираться в них» — только если частицы темной материи сами не двигались.
@PeterErwin Но еще лучше то, что мы должны видеть множество мест, которые они собирают.
Я был бы немного обеспокоен, если бы темная материя могла проходить через черные дыры. Это может позволить нам сделать рентгеновский снимок дыры и выяснить, какая структура находится внутри горизонта событий. Это должно быть невозможно. Хотелось бы увидеть цифры о том, как быстро черная дыра должна набирать массу за счет всасываемой ею темной материи. - Другой вопрос, который я не собираюсь здесь задавать.

Ответы (4)

Да, нейтронные звезды действительно могут накапливать слабо взаимодействующую темную материю, и это допускает некоторые наблюдательные ограничения на ее природу. По сути, температура и продолжающееся существование нейтронных звезд накладывают ограничения на плотность и сечение взаимодействия темной материи.

Траектория частицы темной материи, которая не взаимодействует с материей, будет просто искривлена ​​гравитационным полем тяжелого объекта, поэтому большинство несвязанных частиц просто пронесутся мимо по гиперболической траектории. Но, как обсуждалось в (Adams & Laughlin 1997) , если есть какое-то взаимодействие между материей и темной материей, то частица может разлететься от частицы материи, и теперь ее скорость будет меньше скорости убегания. Таким образом, белые карлики и нейтронные звезды действительно накапливали бы темную материю в своих ядрах. Скорость накопления пропорциональна р в о куда р - плотность темной материи, в средняя относительная скорость и о поперечное сечение. Адамс и Лафлин подсчитали, что белый карлик мог накопить свою массу за 10 25 лет, но это будет зависеть от поперечного сечения (если оно слишком мало, темная материя пройдет через него), которое в настоящее время неизвестно.

Если бы это накопление было единственным, что происходит, оно в конечном итоге привело бы к взрыву белых карликов, а затем и нейтронных звезд. Однако темная материя, вероятно, представляет собой смесь частиц и античастиц, которые аннигилируют друг друга со скоростью ∼ р 2 ; в обогащенной среде, такой как ядро ​​белого карлика, это будет производить энергию из испускаемых фотонов, нагревающих вещи. Адамс и Лафлин оценивают светимость примерно как 10 − 12 л ⊙ , что незаметно в нынешнюю эпоху, но в конечном итоге будет поддерживать температуру белых карликов на уровне 63 К в далеком будущем (пока не иссякнет ореол темной материи).

Другие, более сложные расчеты приводят к более высоким оценкам аккреции. Если бы скорость была достаточно высока, то мы не увидели бы никаких холодных плотных объектов — так что охлаждение белых карликов и нейтронных звезд дает некоторые ограничения на возможную плотность и сечения, хотя и не очень строгие . Например, одна модель предполагает, что нейтронные звезды выровняются при температуре 10 000 К. Наблюдения за холодными звездами уже могут исключить некоторые модели темной материи .

Есть даже некоторые аргументы в пользу того, что суперземные планеты в плотных ореолах темной материи могут значительно нагреваться , хотя для этого могут потребоваться нереально плотные ореолы и большие поперечные сечения. Нынешний поток тепла на Земле накладывает некоторые ограничения на то, насколько сильно он может взаимодействовать .

Таким образом, нейтронные звезды не дают нам прямого обнаружения темной материи, но они (а также планеты и белые карлики) дают нам некоторую информацию.

Так что теперь темная материя стала еще более сложной, предлагая виртуальные пары. Однако, как показывает излучение Хокинга, пары не обязательно сохраняют свою симметрию, так почему же черные дыры не растут с беспрецедентной скоростью? Более того, эффект Казимира показывает, что сила, возникающая из таких пар, должна поддаваться количественному измерению, особенно с учетом эксперимента Кавендиша, проведенного несколько десятилетий назад, до появления современного высокотехнологичного оборудования. различия в проницаемости самой темной материи немассивных звездных объектов?
@VaneVoe - предположение, что WIMPS представляет собой смесь частиц и античастиц (или самоантичастиц), является наиболее симметричным предположением. Я не понимаю, почему это имеет какое -то отношение к излучению Хокинга или силам Казимира? Поперечное сечение захвата черной дырой темной материи довольно маленькое. ( 27 / 4 ) π р с 2 , поэтому их общее поглощение минимально. Существование маломассивных частиц окажет некоторое влияние на спектр частиц Хокинга и, предположительно, на силу Казимира, но то же самое можно сказать и о нейтрино и любой безмассовой частице.
Если процесс не был симметричным, то он должен быть обнаружен. Вам будет трудно спорить, почему это нельзя было обнаружить, когда есть многовековые документы, измеряющие гравитацию ручного шара материи. «Почему» есть какие-либо основания полагать, что эти виртуальные частицы не будут симметричными, учитывая уже доказанный прецедент симметричных пар? Показано, что эти пары обладают измеримой силой благодаря эффекту Казимира, и предполагается, что они влияют на черные дыры. Однако вы делаете предположение, что темная материя существует, чтобы утверждать, что она существует!! Это не имеет смысла.
@VaneVoe - я описываю последствия стандартных физических моделей.
Вы снова ошиблись, вы описали аспект стандартной модели, а затем без каких-либо доказательств небрежно предположили, что она точно так же применима к неподтвержденной частичке обстоятельств, которые могут быть объяснены другими теориями. Уже известно, что отсутствует масса, но нет никаких известных причин предполагать, что это может быть только темная материя, она не предсказывает ничего, что нельзя было бы в равной степени объяснить другими моделями, которые небрежно подгоняют тренд. Я мог бы прямо сейчас сообразить, что существует просто космическая пыль, выходящая за рамки текущих измерений приборов, и так же легко подогнать ее под недостающую массу.
+1 за ответ, который потребовал значительной работы, Андерс. Но я должен сказать, что то, что вы здесь описываете, по сути является гипотезой физики элементарных частиц о темной материи. Тот, кто рассматривает пространство как пустое ничто и не уделяет должного внимания Эйнштейну. В своем Лейденском обращении 1920 года он описал гравитационное поле как место, где пространство не является ни однородным, ни изотропным. В своем эссе 1929 года по истории теории поля он описал поле как состояние пространства.

Я хочу прояснить часть этого вопроса, которую некоторые люди могут не понять. Если бы на темную материю в буквальном смысле влияла только гравитация, то вы бы не ожидали увидеть ее, собирающуюся в центре нейтронных звезд. Когда темная материя падает к центру нейтронной звезды, она набирает скорость, пока не пройдет через нейтронную звезду и не начнет замедляться. Но когда он покинет окрестности нейтронной звезды, он будет иметь ту же скорость, что и при входе в окрестности. Чтобы собрать темную материю, нейтронная звезда должна как-то ее замедлить. Именно это имел в виду Андерс Сандберг, когда упомянул о поперечном сечении взаимодействия темной материи. Это относится к вероятности взаимодействий, которые могут замедлить частицы темной материи настолько, чтобы они оказались в ловушке.

Другими словами, предположим, что частица находится достаточно далеко от нейтронной звезды, так что гравитацией нейтронной звезды можно в основном пренебречь. Представьте, что частица дрейфует к нейтронной звезде, чтобы в конце концов пройти сквозь нее. Тогда к тому времени, когда частица достигнет нейтронной звезды, математически гарантируется, что ее скорость будет выше скорости убегания. Определение скорости убегания - это скорость, которую будет иметь частица, если она упадет с бесконечно большого расстояния. Нейтронная звезда не может захватить что-либо, потому что все, что дрейфует, гарантированно наберет достаточную скорость, попадая внутрь, так что к тому времени, когда она вернется на то же расстояние, что и раньше, она будет удаляться с той же скоростью, с которой двигалась. до.

Справедливости ради, здесь есть одна оговорка. Если бы у частиц была значительная гравитация, то они могли бы сильно влиять друг на друга, то они могли бы взаимодействовать так, что одна частица вылетает еще быстрее, а другая оказывается захваченной на орбите вокруг (а может быть, и проходя сквозь) нейтронной звезды. Таким образом могли быть захвачены некоторые из спутников Юпитера. Но считается, что частицы темной материи имеют незначительную массу.

Я не говорю здесь ничего отличного от Андерса Сандберга, но я просто хочу подчеркнуть важность его заявления о том, что «большинство частиц просто пронесутся в прошлое».

Если бы на темную материю в буквальном смысле влияла только гравитация, то я до сих пор не понимаю, почему то, что вы говорите, было бы таким огромным ограничением. Гравитация внутри сферы линейна, хотя я не знаю, справедливо ли это для огромного случая нейтральной звезды, особенно с градиентом плотности. Чтобы частица не попала в ловушку, ее линейная скорость должна полностью превышать скорость убегания нейтральной звезды, в противном случае, по крайней мере, должно быть облако темной материи, окружающее нейтронные звезды, которые колеблются вокруг ее центра.
Я добавил новый абзац. Это помогает? Дело в том, что если частица была издалека, то ее линейная скорость гарантированно превышает скорость убегания. А если она уже была поблизости и двигалась со скоростью ниже космической, то она уже была на орбите и не считается вновь захваченной частицей. Эта орбита будет продолжаться вечно — частица не будет втянута, поэтому она останется внутри нейтронной звезды, точно так же, как Солнце не всасывает планеты.
Просто скажу, что если у вас есть система из двух тел, темная материя может быть захвачена без каких-либо негравитационных взаимодействий, подобно тому, как космический корабль «Вояджер» использовал ускорение Юпитера, чтобы покинуть Солнечную систему, поэтому, если относительная скорость относительно нашей Солнечной системы равна не слишком велика, в нашей Солнечной системе может существовать небольшая популяция темной материи, поддерживаемая случайными частицами темной материи, захваченными по той же траектории в противоположном направлении (и потерянными на траекториях, подобных "Вояджеру"). Но накопление в нейтронной звезде все же невозможно, в лучшем случае она просто вращается или пикирует туда-сюда.
Роберт Уокер. Я думаю, ваш комментарий — это то, к чему я пытаюсь добраться в предпоследнем абзаце.

Я никогда не видел никакого обсуждения взаимодействия между любым из различных кандидатов в Темную Материю и материей нейтронной звезды. Но все же можно сказать кое-что полезное о перспективе.

Во-первых, помните, что мы не знаем, что такое темная материя (ТМ). У нас есть ряд теорий, которые являются разумными расширениями Стандартной модели, содержащей частицы, которые ведут себя примерно так же, как мы думаем, что ведет себя DM, но у нас не только нет убедительных доказательств ни для одной из них, мы искали большинство из них. их и ничего не нашли. Отрицательные данные далеко не точны, но также предполагают, что есть что-то важное, чего мы еще не знаем.

В любом случае, вы правы в том, что ТМ должна притягиваться гравитацией нейтронной звезды (НС), и вполне вероятно, что ТМ будет реагировать с плотным веществом НЗ. Но единственные взаимодействия, о которых я знаю, выделяют немного тепла и немного электромагнитного излучения в точке взаимодействия. (Частицы DM не обладают огромной энергией, а DM не очень плотный.) Это будет быстро поглощено и приведет к ультрамизерному нагреву NS.

А нейтронные звезды далеко. Очень трудно понять, как мы можем надеяться наблюдать какие-либо эффекты любого взаимодействия, которое может иметь место.

Если нам еще предстоит найти какие-либо свидетельства существования темной материи, почему так много людей одержимы ею, а не просто модифицируют общую теорию относительности в галактических масштабах или находят альтернативы реальной материи, такие как космическая пыль, которую можно обнаружить только на очень низких или очень высоких частотах? ? Все это кажется более вероятным, чем куча невидимых вещей, из которых состоит большая часть вселенной, но которых никто не видит, что звучит буквально как религия.
@VaneVoe: Вы неправильно поняли, что написал МаркОлсон. Существует множество свидетельств существования темной материи, даже страница в Википедии, посвященная ей. Однако в ответе говорилось, что теории, объясняющие DM, не имеют никаких других доказательств, подтверждающих их. Поэтому, если теория может только объяснить DM, но не имеет никакой другой связи с реальностью, это проблематично, потому что тогда ее нельзя проверить.
Единственным «доказательством» именно темной материи является неучтенная масса, которую все еще можно объяснить любым другим способом. Ученые просто приспособили якобы «недостающую» массу во Вселенной к своему предположению о темной материи. То же самое можно сказать и об одной из многих альтернативных теорий, где гравитационная постоянная меняется с расстоянием, так что я по-прежнему не вижу особой причины обращать внимание на темную материю. Люди были одержимы теорией струн, а затем на БАК не удалось получить самое большое доказательство, и теперь теория струн остается мертвой или бездействующей.
@Вейн Во, хорошо. Неверие в Темную Материю может быть совершенно разумной позицией, если исходить из разумных причин. Я думаю, что причина, по которой большинство физиков верят в DM, заключается в том, что существуют довольно убедительные данные наблюдений, которые мы не можем объяснить, используя наши современные теории. Расширение DM к Стандартной модели не нарушает того, что мы уже понимаем, объясняет аномалии, и в любом случае ожидается какое-то расширение. Модифицированные теории гравитации тоже работают, но наносят ущерб общей теории относительности, которая хорошо проверена и (в отличие от Стандартной модели) трудно поддается настройке.
Это не вопрос веры, для этого просто нет прямых доказательств. Любое количество вещей может потенциально объяснить недостающую массу. Произвольное создание новой инертной частицы, идеально соответствующей выбранным вами данным, не делает ее частью стандартной модели в большей степени, чем теория струн является частью стандартной модели. Общая теория относительности всегда имела смысл и всегда согласовывалась с прямыми наблюдениями, даже если ее фундаментальное объяснение до сих пор неизвестно.
@VaneVoe Многие люди сделали именно это и продолжают работать над этим. MOND (модифицированная ньютоновская динамика) и TeVeS (тензорно-векторно-скалярная) являются одними из наиболее известных модификаций. До сих пор они не очень хорошо справлялись с наблюдениями: они могли хорошо предсказывать скорости вращения галактик, но затем заметно терпели неудачу в динамике скоплений галактик, слияниях галактик и т. д. Пока поиск объяснений с помощью частиц не дает результатов, некоторые люди будут Держись! Не сдавайся. И до тех пор, пока корректировки формулы не принесут результата, другие люди будут продолжать искать частицы.
Или, поскольку наша современная физика элементарных частиц очень точна, и общая теория относительности точна, люди могут просто смотреть на космическую пыль, которую невозможно измерить, кроме как с помощью более чувствительного оборудования. Если я правильно помню, это была одна из последних новостей на эту тему.
@VaneVoe Отсутствующая масса - не единственное доказательство. Посмотрите на второй абзац страницы в Википедии по этому вопросу, развернутый во всей полноте раздела 3 этой страницы.

Почему нейтронные звезды не полны темной материи?

Потому что темная материя не состоит из частиц. Есть что-то вроде мифа, который, я думаю, исходит от физиков элементарных частиц, которые на самом деле никогда не читали исходный материал Эйнштейна. Я также думаю, что наука — это своего рода конкурентный бизнес, и у защитников есть тенденция продвигать свою собственную теорию (например, WIMP) и заявлять, что теория конкурентов (например, MOND) ошибочна.

Темная материя взаимодействует с силой гравитации, верно? Ну, в отличие от черных дыр, нейтронные звезды на самом деле видны, и они представляют собой огромный гравитационный поглотитель, поэтому к ним должна скапливаться темная материя.

Помните, что у нас есть хорошие научные доказательства плоских кривых вращения галактики и других явлений. Это предполагает, что либо а) где-то есть невидимая «темная материя», либо б) что гравитация работает не совсем так, как думают люди. Однако данные на самом деле не говорят о том, что темная материя состоит из частиц и падает вниз.

Но если все это правда, как кажется, почему астрономы не обнаружили и не использовали нейтронные звезды для обнаружения темной материи?

Потому что мы живем не в каком-то маленьком цыплёнке, где небо падает . Я имею в виду координаты Гульстранда-Пенлеве , которые моделируют гравитационное поле как место, где пространство падает. Эйнштейн отверг эту идею, но некоторые современные физики относятся к ней серьезно, см ., например , это .

введите описание изображения здесь

Изображение предоставлено Эндрю Гамильтоном.

Почему это актуально? Потому что в своем «Основании общей теории относительности » в 1916 году Эйнштейн сказал , что «энергия гравитационного поля должна действовать гравитационно так же, как и любой другой вид энергии» . Это пространственная энергия, и она не состоит из частиц. Плотность энергии космического пространства вблизи Земли больше, чем плотность энергии космического пространства дальше от Земли. Из-за этого возникает гравитационный эффект. Вот почему « гравитация притягивает ». Эйнштейн также описывал гравитационное поле как место, где пространство «не является ни однородным, ни изотропным ».". Таким образом, темная материя может быть просто неоднородным пространством. Не забывайте, что согласно аналогии с изюмом, пространство между галактиками расширяется, а пространство между галактиками - нет. Закон сохранения энергии говорит мне, что это, несомненно, приведет к неоднородная пространственная плотность энергии.И что более старая галактика будет окружена большим / более крутым ореолом неоднородного пространства, чем более молодая галактика, поэтому будет казаться, что в ней больше темной материи.

То, что сказал Эйнштейн, означает, что в комнате, в которой вы находитесь, прямо перед вашим лицом есть своего рода «темная материя». Только он не состоит из частиц и не падает вниз. Вместо этого он сделан из космоса. Не забывай, что космос темный, и вокруг много всего .

Бесполезно апеллировать к древнему авторитету. Если MOND верен, то GR неверен. Вы можете назвать темную материю «энергетическим полем», если хотите, но энергетические поля квантуются и имеют частицы, связанные с этим квантованием — например, поле Хиггса/бозон Хиггса. Я понятия не имею, что такое ссылка на координаты GP
@ Роб Джеффрис: ссылка на цифровые документы Эйнштейна не является «апелляцией к древнему авторитету», гравитационное поле не квантуется, а координаты Гульстранда-Пенлеве являются ссылкой на аналогию с водопадом, что неверно. Гравитационное поле – это место, где пространство неоднородно, не падает. Плотность энергии этого пространства неравномерна, следовательно, гравитационное поле само по себе вызывает гравитацию, а не состоит из вимпов.
Вы должны дать понять (возможно) неопытным читателям, что вы преследуете свои собственные идеи. Потребность в темной материи была установлена ​​в 1950-х годах, независимо от того, используется ли для рассмотрения гравитации ньютоновская или ОТО перспектива. Темная материя — это объяснение, совместимое с ОТО. Мы (включая вас) не знаем, что это за темная материя. Только некоторые части пространства параметров еще не исключены.
@Rob Jeffries: я не преследую свои собственные идеи, я рассказываю читателям об общей теории относительности и ссылаюсь на то, что сказал Эйнштейн. Это означает, что энергия гравитационного поля, которая также является неоднородным пространством, определенно представляет собой своего рода темную материю. Вы отвергли это как «апеллирование к древнему авторитету» и фактически заявили, что гравитационное поле состоит из гравитонов. У нас нет доказательств, подтверждающих это утверждение. И никаких доказательств существования вимпов. Но общая теория относительности — одна из наиболее проверенных теорий, которые у нас есть. См . arxiv.org/abs/1403.7377 .
За исключением того, что ОТО не может объяснить кривые вращения галактик, гравитационное линзирование, дисперсию скоростей скоплений и т. д. без присутствия темной материи!
Или вы утверждаете, что тёмная материя не нужна, потому что ОТО всё объясняет, и не соглашаетесь абсолютно со всеми, как с энтузиастами тёмной материи, так и с МОНДовцами? Если ваш аргумент касается только того, состоит ли темная материя из частиц, тогда -1 для вашего первого предложения, потому что вы не знаете (если требуется темная материя), состоит ли она из частиц или нет, и никто другой не знает, и затем еще один -1 за запутывание проблемы неуместными координатами GP и тем, что Эйнштейн сказал в 1916 году, когда о темной материи даже не было и речи.
@Rob Jeffries: То, что Эйнштейн сказал в 1916 и 1920 годах, не имеет значения. Он сказал, что энергия гравитационного поля имеет гравитационный эффект, и описал гравитационное поле как неоднородное пространство. Это означает, что неоднородная пространственная энергия считается темной материей. Остальное просто. У нас есть доказательства темной материи, сохранения энергии и расширения Вселенной. Но у нас нет доказательств существования вимпов спустя почти 40 лет. Координаты ВП нужны для того, чтобы развеять поп-научный миф о том, что пространство падает в гравитационном поле. Все что заслуживает намного лучше -2.
Почему нейтронные звезды не полны темной материи?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v