Сверхновые с электронным захватом (англ. Electron-capture supernovae, далее ECSN) — это вспышки сверхновых, которые происходят в звездах с начальной массой примерно в 8–10 раз больше массы Солнца. В таких звездах образуются кислородно-неоново-магниевые ядра, которые становятся нестабильными, когда электроны захватываются ядрами неона и магния в процессе бета-распада. В результате потери электронного давления происходит коллапс ядра, что приводит к взрыву сверхновой и образованию нейтронной звезды — чрезвычайно плотной сущности, состоящей в основном из нейтронов.
Сотрудники Национального института ядерной физики в Пизе и Пизанского университета недавно провели исследование, призванное пролить свет на то, как гипотетический тип темной материи, называемый асимметричной темной материей (АТМ), может влиять на коллапс ядер-предшественников сверхновых типа II и последующее формирование «подозрительно легких» нейтронных звезд.
В статье, опубликованной в Journal of High Energy Astrophysics, представлена первая самосогласованная модель звездной структуры, учитывающая возможный вклад антивещества в этот астрофизический процесс.
В одной из предыдущих работ 2021 года авторы показали, что сверхновая SN2018zd стала первым убедительным доказательством ECSN — неизвестного типа звездного взрыва, о возможности которого в начале 1980-х годов писал японский астрофизик Кэнъити Номото.
Ученые из Пизы исследовали возможное влияние фермионной АТМ на структурные свойства нейтронных звезд.
По мнению авторов присутствие фермионной темной материи в вырожденном ядре из кислорода, неона и магния (16O, 20Ne, 24Mg) звезды-прародительницы может сильно повлиять на взрыв ECSN, особенно в отношении критического значения массы звездного ядра. При достижении определенного лимита может происходить неконтролируемый захват электронов ядрами 20Ne и 24Mg.
Это предполагает возможность образования нейтронных звезд с массой значительно ниже одной солнечной массы, то есть ниже самой малой из измеренных на сегодняшний день масс (M = 1,174 M⊙) нейтронной звезды, связанной с пульсаром PSR J0453+1559.
Основной целью исследования ученых было изучение влияния темной материи на коллапс ядра-предшественника сверхновой, последующий взрыв и рождение нейтронной звезды. В своем анализе они рассматривали обычную материю и темную материю как две взаимопроникающих субстанции, которые взаимодействуют исключительно через гравитацию. Проще говоряб в одном месте сливаются две жидкости, которые не видят и не слышат друг друга, но ощущают взаимное притяжение.
Ученые смоделировали слияние двух условных жидкостей в рамках общей теории относительности, расширив стандартные уравнения структуры компактных звезд и описав равновесные конфигурации, в которых два жидких компонента сосуществуют в общем гравитационном поле.
В части обычной материи моделью послужили богатые неоном белые карлики (типичные прародители сверхновых с электронным захватом). Для темной материи было сделано предположение, что она ведет себя как холодный идеально вырожденный фермионный газ. Для моделирования барионной материи внутри нейтронной звезды авторы используем микроскопическое уравнение состояния с применением квантового мультичастичного подхода.
Авторы впоследствии численно решили уравнения звездной структуры, рассмотрев различные массы и доли частиц темной материи. Это позволило им сделать прогнозы о том, как присутствие темной материи изменит профиль плотности ядра белого карлика, прародителя ECSN и повлияет на пороговую массу, при которой произойдет коллапс.
Такой подход позволил ученым сопоставить белые карлики-прародители с их остатками в виде нейтронных звезд и количественно оценить, как темная материя может снижать энергию взрыва и приводить к образованию нейтронных звезд с необычно низкой массой.
Эта модель может быть полезна как для астрофизических исследований, посвященных вспышкам сверхновых с выбросом корональной массы, так и для будущих поисков темной материи.
Рассматривая обычную материю и темную материю как две жидкости, взаимодействующие только посредством гравитации, мы показали, что даже небольшое количество темной материи может сжать ядро белого карлика настолько, что оно разрушится при меньшей массе, чем считалось ранее, В более широком смысле исследование показывает, что звездные взрывы, которые традиционно изучались только с точки зрения ядерной физики и физики элементарных частиц, могут также служить естественными лабораториями для изучения свойств темной материи, открывая новое астрофизическое окно в одну из величайших загадок физики, .
Ученые также намерены изучить, как темная материя может оставлять наблюдаемые следы, например в виде необычно тусклых сверхновых или очень легких нейтронных звезд, и сравнить эти данные с текущими и будущими наблюдениями.
Новая гипотеза ученых предполагает, что аннигиляция темной материи повышает гамма-фон Млечного Пути. Подробности — в материале Hi-Tech Mail.
