¿Por qué las estrellas de neutrones no están llenas de materia oscura?

La materia oscura interactúa con la fuerza gravitatoria, ¿verdad? Bueno, a diferencia de los agujeros negros, las estrellas de neutrones son realmente visibles y son un enorme sumidero gravitacional, por lo que la materia oscura debería acumularse en ellas.

Pero si todo eso es cierto, lo que parece ser, ¿por qué los astrónomos no han detectado o utilizado estrellas de neutrones para detectar materia oscura?

Se están analizando observaciones recientes para determinar si la densidad radial de una estrella de neutrones es consistente (o no) con la posible existencia de materia oscura en el núcleo. Es una pregunta abierta.
Podría agregar que "materia oscura" es simplemente un término aplicado a cosas que no sabemos qué es, o si siquiera existe. Todavía es posible que nuestra comprensión actual de las fuerzas sea incompleta.
Las estrellas de neutrones pueden no ser lo suficientemente grandes como para frenar las partículas de materia oscura hasta el punto en que son capturadas gravitacionalmente. OTOH, podrían serlo. La última vez que miré, teníamos poca idea del perfil de velocidad (caliente frente a frío) de la materia oscura, si es que existe.
"son un enorme sumidero gravitacional" -- En realidad no; Las estrellas de neutrones tienen masas de unas pocas veces la del Sol, por lo que no son más un "sumidero gravitacional" que muchas estrellas.
Y "la materia oscura debería acumularse en ellos", solo si las partículas de materia oscura no se movían.
@PeterErwin Pero ese es un punto aún mejor de que deberíamos ver una gran cantidad de lugares donde recolectan.
Me preocuparía un poco si la materia oscura pudiera pasar a través de agujeros negros. Eso podría permitirnos "radiografiar" el agujero y descubrir qué tipo de estructura hay dentro del horizonte de eventos. Se supone que eso es imposible. Me gustaría ver algunos números sobre la rapidez con la que un agujero negro debería ganar masa a partir de la materia oscura que succiona. -Otra pregunta, que no voy a hacer aquí.

Respuestas (4)

Sí, las estrellas de neutrones en realidad podrían acumular materia oscura que interactúa débilmente y esto permite algunas restricciones de observación sobre su naturaleza. Básicamente, la temperatura y la existencia continua de las estrellas de neutrones imponen límites a la densidad y la sección transversal de interacción de la materia oscura.

Una partícula de materia oscura que no interactúa con la materia tendrá su trayectoria doblada por el campo de gravedad de un objeto pesado, por lo que la mayoría de las partículas sueltas pasarán en picado en una trayectoria hiperbólica. Pero como se discutió en (Adams & Laughlin 1997) , si hay alguna interacción materia-materia oscura, entonces la partícula puede dispersarse de una partícula de materia y ahora tener menos velocidad de escape. De esta forma, las enanas blancas y las estrellas de neutrones acumularían materia oscura en sus núcleos. La tasa de acumulación es proporcional a ρ v σ donde ρ es la densidad de la materia oscura, v la velocidad relativa media y σ la sección transversal. Adams & Laughlin estiman que una estrella enana blanca acumularía su propia masa en 10 25 años, pero esto va a depender de la sección transversal (si es demasiado pequeña, pasará la materia oscura), que actualmente se desconoce.

Si esta acumulación fuera lo único que sucediera, eventualmente haría que las enanas blancas y más tarde las estrellas de neutrones implosionaran. Sin embargo, la materia oscura es plausiblemente una mezcla de partículas y antipartículas que se aniquilan entre sí a un ritmo ∼ ρ 2 ; en un entorno enriquecido como el núcleo de una enana blanca, esto produciría energía a partir de los fotones emitidos que calientan las cosas. Adams & Laughlin estiman la luminosidad en aproximadamente 10 − 12 L ⊙ , que es imperceptible en la era actual pero que eventualmente mantendría a las enanas blancas en 63 K en un futuro lejano (hasta que se agote el halo de materia oscura).

Otros cálculos, más elaborados, conducen a estimaciones de acreción que son más altas. Si la tasa fuera lo suficientemente alta, entonces no veríamos ningún objeto frío y denso, por lo que el enfriamiento de la enana blanca y la estrella de neutrones da algunos límites sobre la posible densidad y secciones transversales, aunque no muy estrictos . Por ejemplo, un modelo sugiere que las estrellas de neutrones se nivelarían a 10 000 K. Las observaciones de estrellas frías también pueden descartar algunos modelos de materia oscura .

Incluso hay algunos argumentos de que los planetas súper-Tierra en halos densos de materia oscura podrían calentarse significativamente , aunque esto puede requerir halos densos poco realistas y grandes secciones transversales. El flujo de salud actual de la Tierra impone algunas limitaciones sobre la fuerza con la que puede interactuar .

Entonces, las estrellas de neutrones no nos brindan directamente la detección de materia oscura, pero ellas (y los planetas y las enanas blancas) nos brindan información.

Así que ahora la materia oscura se vuelve aún más compleja al ofrecer pares virtuales. Sin embargo, como sugiere la radiación de Hawking, los pares no conservan necesariamente su simetría, así que ¿por qué los agujeros negros no crecen a un ritmo sin precedentes? Además, el efecto Casimir muestra que una fuerza que surge de tales pares debería ser cuantificable, especialmente con el experimento de Cavendish realizado hace décadas y décadas antes de los equipos de alta tecnología de hoy, entonces, ¿por qué no se proyectaría entonces que la presencia de meros objetos afectaría? diferenciales en la penetración de la materia oscura en sí misma de los objetos estelares no masivos?
@VaneVoe: asumir que WIMPS es una mezcla de partículas y antipartículas (o autoantipartículas) es la suposición más simétrica. No veo por qué esto tiene algo que ver con la radiación de Hawking o las fuerzas de Casimir. Las secciones transversales de captura de agujeros negros para la materia oscura son bastante pequeñas. ( 27 / 4 ) π R s 2 , por lo que su absorción global es mínima. La existencia de partículas de baja masa tendrá algún efecto en el espectro de partículas de Hawking y presumiblemente en la fuerza de Casimir, pero también lo tienen los neutrinos y cualquier partícula sin masa.
Si el proceso no fue simétrico, entonces debería ser detectable. Le resultará difícil argumentar por qué no podría ser detectable cuando hay documentos de siglos de antigüedad que miden la gravedad de una bola de materia de mano. "¿Por qué" hay alguna razón para creer que estas partículas virtuales no serían simétricas dado el precedente de pares simétricos como ya se demostró? Se muestra que estos pares tienen una fuerza medible a través del efecto Casimir y se teoriza que afectan a los agujeros negros. ¡Sin embargo, estás asumiendo que existe materia oscura para argumentar que existe! Eso no tiene sentido.
@VaneVoe: describo las consecuencias de los modelos físicos estándar.
Se equivoca de nuevo, describió un aspecto del modelo estándar y luego, sin ninguna evidencia, asumió descuidadamente que se aplica exactamente de la misma manera a una partícula de circunstancia no confirmada que puede ser explicada por otras teorías. Ya se sabe que falta masa, pero no hay razón conocida para suponer que solo podría ser materia oscura, no predice nada que no pueda ser igualmente explicado por otros modelos que se ajustan descuidadamente a la tendencia. Podría inventar ahora mismo que simplemente hay polvo espacial más allá de la medición actual del instrumento y ajustarlo a la masa faltante con la misma facilidad.
+1 por una respuesta que ha requerido un trabajo considerable, Anders. Pero debo decir que lo que estás describiendo aquí es, en esencia, una hipótesis de física de partículas sobre la materia oscura. Uno que trata el espacio como una nada vacía y no presta suficiente atención a Einstein. En su Discurso de Leyden de 1920 , describió un campo gravitacional como un lugar donde el espacio no era ni homogéneo ni isótropo. En su ensayo de 1929 sobre la historia de la teoría de campos , describió un campo como un estado del espacio.

Quiero aclarar una parte de esta pregunta que quizás algunas personas no entiendan. Si la materia oscura literalmente solo se viera afectada por la gravedad, entonces no esperaría verla acumularse en el centro de las estrellas de neutrones. A medida que la materia oscura cae hacia el centro de una estrella de neutrones, aumenta su velocidad hasta que pasa a través de la estrella de neutrones y comienza a disminuir la velocidad. Pero cuando salga de la vecindad de la estrella de neutrones, tendrá la misma velocidad que tenía cuando entró en la vecindad. Para recolectar materia oscura, la estrella de neutrones tiene que ralentizarla de alguna manera. Esto es lo que Anders Sandberg quiso decir cuando mencionó la sección transversal de interacción de la materia oscura. Eso se refiere a la probabilidad de interacciones que podrían ralentizar las partículas de materia oscura lo suficiente como para que queden atrapadas.

Para decirlo de manera un poco diferente, supongamos que una partícula estuviera lo suficientemente lejos de la estrella de neutrones para que la gravedad de la estrella de neutrones básicamente pueda ignorarse. Imagine que la partícula se desplaza hacia la estrella de neutrones, de modo que eventualmente la atravesará. Luego, cuando la partícula alcanza la estrella de neutrones, matemáticamente se garantiza que estará por encima de la velocidad de escape. La definición de velocidad de escape es la velocidad que tendrá una partícula si cae desde una distancia infinita. La estrella de neutrones no puede atrapar nada porque se garantiza que todo lo que pase a la deriva adquiera la velocidad suficiente para caer, de modo que, cuando regrese a la misma distancia que antes, se esté alejando a la misma velocidad que se movía. antes de.

Para ser justos, hay una advertencia aquí. Si las partículas tuvieran una gravedad significativa, por lo que podrían influir fuertemente entre sí, entonces podrían interactuar de tal manera que una partícula vuele aún más rápido y la otra quede atrapada en órbita alrededor (quizás también atravesando) la estrella de neutrones. Algunas de las lunas de Júpiter pueden haber sido capturadas de esa manera. Pero se cree que las partículas de materia oscura tienen una masa insignificante.

No estoy diciendo nada diferente de Anders Sandberg aquí, pero solo quiero enfatizar la importancia de su declaración de que "la mayoría de las partículas simplemente pasarán en picado".

Si la materia oscura solo se vio afectada literalmente por la gravedad, entonces todavía no veo por qué lo que dices sería una restricción tan grande. La gravedad dentro de una esfera es lineal, aunque no sé si eso es válido para el inmenso caso de una estrella neutra, especialmente con un gradiente de densidad. Para que una partícula no quede atrapada, su velocidad lineal tendría que exceder por completo la velocidad de escape de la estrella neutra; de lo contrario, al menos debería haber una nube de materia oscura alrededor de las estrellas de neutrones que oscilan alrededor de su centro.
Agregué un nuevo párrafo. ¿Ayuda? El punto es que, si la partícula estaba muy lejos, entonces se garantiza que su velocidad lineal excederá la velocidad de escape. Y si ya estaba cerca y se movía por debajo de la velocidad de escape, entonces ya estaba en órbita y no cuenta como una partícula atrapada recientemente. Esa órbita continuará para siempre: la partícula no será succionada, por lo que permanecerá dentro de la estrella de neutrones, al igual que el sol no succiona los planetas.
Sin embargo, solo para decir que si tiene un sistema de dos cuerpos, la materia oscura podría capturarse sin interacciones no gravitacionales, de manera similar a la forma en que la nave espacial Voyager usó impulsos de Júpiter para escapar del sistema solar, por lo que si la velocidad relativa a nuestro sistema solar es no demasiado grande, podría haber una pequeña población de materia oscura en nuestro sistema solar mantenida por partículas de materia oscura ocasionales capturadas por una trayectoria similar en la dirección opuesta (y perdida en caminos similares a los de la Voyager). Pero la acumulación en una estrella de neutrones sigue siendo imposible, a lo sumo simplemente orbita o entra / sale en picado.
Robert Walker: creo que su comentario es a lo que intenta llegar mi penúltimo párrafo.

Nunca he visto ninguna discusión sobre la interacción entre cualquiera de los diversos candidatos a Materia Oscura y la materia de las estrellas de neutrones. Pero aún podemos decir algo útil sobre la perspectiva.

Primero, recuerda que no sabemos qué es la Materia Oscura (DM). Tenemos una serie de teorías que son extensiones razonables del modelo estándar que contiene partículas que se comportan un poco como pensamos que se comporta DM, pero no solo no tenemos ninguna buena evidencia para ninguna de ellas, hemos buscado la mayoría de ellos y no han podido encontrar nada. La evidencia negativa está muy por debajo de la certeza, pero también sugiere que hay algo importante que aún no sabemos.

En cualquier caso, tiene razón en que el DM debería ser atraído por la gravedad de la estrella de neutrones (NS), y parece plausible que el DM reaccione con la materia densa del NS. Pero las únicas interacciones de las que tengo conocimiento liberarían un poco de calor y un poco de radiación electromagnética en el punto de interacción. (Las partículas de DM no son muy energéticas y el DM no es muy denso). Esto se absorbería rápidamente y daría como resultado un calentamiento ultra minúsculo del NS.

Y las estrellas de neutrones están muy lejos. Es muy difícil ver cómo podríamos esperar observar los efectos de cualquier interacción que pueda estar teniendo lugar.

Si todavía tenemos que encontrar alguna evidencia de materia oscura, ¿por qué tanta gente se obsesiona con ella en lugar de simplemente modificar la relatividad general a escalas galácticas o encontrar alternativas de materia real como el polvo espacial que solo es detectable en frecuencias muy bajas o muy altas? ? Todo eso parece más probable que un montón de cosas invisibles que componen la mayor parte del universo pero que nadie ve, que suena literalmente como una religión.
@VaneVoe: No entendiste lo que escribió MarkOlson. Hay mucha evidencia de materia oscura, incluso una página de wikipedia dedicada a ella. Sin embargo, la respuesta decía que las teorías que explican la DM no tienen ninguna otra evidencia que las respalde. Entonces, si una teoría solo puede explicar la DM, pero no tiene otra conexión con la realidad, es problemática, porque entonces no se puede probar.
La única "evidencia" para la materia oscura específicamente no tiene en cuenta la masa, que aún puede explicarse por muchos otros medios. Los científicos simplemente ajustaron la tendencia de la masa supuestamente "faltante" en el universo para su suposición de materia oscura. Se podría decir exactamente lo mismo de una de las muchas teorías alternativas en las que la constante gravitacional varía con la distancia, por lo que todavía no veo ninguna razón particular para prestar atención a la materia oscura. La gente se obsesionó con la teoría de cuerdas, y luego no pudo generar su mayor evidencia en el LHC y ahora la teoría de cuerdas permanece muerta o inactiva.
@Vane Voe Está bien. No creer en la materia oscura puede ser una posición perfectamente razonable si se toma por razones sensatas. Creo que la razón por la que la mayoría de los físicos creen en la DM es que existe evidencia observacional bastante sólida que no podemos explicar usando nuestras teorías actuales. Una extensión de DM al modelo estándar no viola lo que ya entendemos, da cuenta de las anomalías y, de todos modos, se espera algún tipo de extensión. Las teorías de la gravedad modificada también funcionan, pero violentan la relatividad general, que está bien probada y (a diferencia del modelo estándar) es difícil de modificar.
No es una cuestión de creencia, simplemente no hay evidencia directa de ello. Cualquier cantidad de cosas podría explicar potencialmente la masa faltante. La creación arbitraria de una nueva partícula inerte para que coincida perfectamente con su selección de datos no la convierte en parte del modelo estándar más de lo que la teoría de cuerdas es parte del modelo estándar. La relatividad general siempre ha tenido sentido y siempre ha estado de acuerdo con las observaciones directas, incluso si aún se desconoce la explicación fundamental.
@VaneVoe Muchas personas han hecho exactamente eso y continúan trabajando en ello. MOND (dinámica newtoniana modificada) y TeVeS (tensor-vector-escalar) son algunas de las modificaciones más conocidas. Hasta ahora no les ha ido muy bien en el manejo de las observaciones: pueden predecir bien las tasas de rotación de las galaxias, pero luego fallan notablemente en la dinámica de los cúmulos de galaxias, o las fusiones de galaxias, etc. Mientras las búsquedas de explicaciones a través de partículas resulten vacías, algunas personas Síguelo. Y mientras los ajustes de la fórmula se queden cortos, otras personas seguirán buscando partículas.
O, dado que nuestra física de partículas actual es muy precisa y la relatividad general es precisa, las personas pueden simplemente mirar el polvo espacial que no se puede medir, excepto con equipos más sensibles. Si no recuerdo mal, esa fue una de las noticias más recientes sobre el tema.
@VaneVoe La masa perdida no es la única evidencia. Mire el segundo párrafo de la página de wikipedia sobre el tema como se expande en la totalidad de la sección 3 de esa página.

¿Por qué las estrellas de neutrones no están llenas de materia oscura?

Porque la materia oscura no consiste en partículas. Hay algo así como un mito que lo hace, que creo que proviene de los físicos de partículas que en realidad nunca han leído el material original de Einstein. También creo que la ciencia es algo así como un negocio competitivo, y hay una tendencia a que los defensores promuevan su propia teoría (p. ej., WIMP) y afirmen que la teoría de un competidor (p. ej., MOND) es defectuosa.

La materia oscura interactúa con la fuerza gravitatoria, ¿verdad? Bueno, a diferencia de los agujeros negros, las estrellas de neutrones son realmente visibles y son un enorme sumidero gravitacional, por lo que la materia oscura debería acumularse en ellas.

Recuerde que tenemos buena evidencia científica de curvas planas de rotación galáctica y otros fenómenos. Estos sugieren que a) hay alguna "materia oscura" invisible en algún lugar, o b) que la gravedad no funciona de la manera que la gente piensa. Sin embargo, la evidencia en realidad no dice que la materia oscura esté hecha de partículas y se caiga.

Pero si todo eso es cierto, lo que parece ser, ¿por qué los astrónomos no han detectado o utilizado estrellas de neutrones para detectar materia oscura?

Porque no vivimos en un mundo de Chicken Little donde el cielo se está cayendo . Me refiero a las coordenadas Gullstrand-Painlevé que modelan un campo gravitatorio como un lugar donde el espacio se está cayendo. Einstein rechazó la idea, pero algunos físicos contemporáneos la toman en serio, vea esto por ejemplo.

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Crédito de la imagen Andrew Hamilton

¿Por qué es esto relevante? Porque en su Fundación de la Relatividad General de 1916, Einstein dijo que “la energía del campo gravitatorio actuará gravitatoriamente de la misma manera que cualquier otro tipo de energía” . Esta es energía espacial, y no está hecha de partículas. La densidad de energía del espacio cerca de la Tierra es mayor que la densidad de energía del espacio más alejado de la Tierra. Debido a esto, hay un efecto gravitatorio. Por eso " la gravedad gravita ". Einstein también describió un campo gravitatorio como un lugar donde el espacio no es ni homogéneo ni isotrópico .". Entonces, la materia oscura podría ser simplemente un espacio no homogéneo. No olvide que, según la analogía del pastel de pasas, el espacio entre las galaxias se expande mientras que el espacio entre las galaxias no lo hace. La conservación de la energía me dice que esto seguramente conducirá a una densidad de energía espacial no homogénea y que una galaxia más vieja estará rodeada por un halo de espacio no homogéneo más grande/más pronunciado que una galaxia más joven, por lo que parecerá que hay más materia oscura presente.

Lo que dijo Einstein significa que hay una especie de "materia oscura" en la habitación en la que estás, justo en frente de tu cara. Solo que no está hecho de partículas y no se está cayendo. En cambio, está hecho de espacio. No olvides que el espacio es oscuro y hay mucho alrededor .

Inútil apelar a la autoridad antigua. Si MOND es correcto, entonces GR es incorrecto. Puede llamar a la materia oscura un "campo de energía" si lo desea, pero los campos de energía están cuantificados y tienen partículas asociadas con esta cuantificación, por ejemplo, campo de Higgs/bosón de Higgs. No tengo idea de qué se trata la referencia a las coordenadas GP
@Rob Jeffries: referirse a los documentos digitales de Einstein no es "apelar a la autoridad antigua", el campo gravitatorio no está cuantificado y las coordenadas Gullstrand-Painlevé son una referencia a la analogía de la cascada, que no es correcta. Un campo gravitacional es un lugar donde el espacio no es homogéneo, no cae. La densidad de energía de este espacio no es uniforme, por lo tanto, un campo gravitatorio en sí mismo causa la gravedad y no está hecho de WIMP.
Debe dejar en claro a los lectores (quizás) inexpertos que está siguiendo sus propias ideas. La necesidad de materia oscura se estableció en la década de 1950, independientemente de si se utilizan perspectivas newtonianas o GR para considerar la gravedad. La materia oscura es la explicación compatible con GR. Nosotros (incluyéndote a ti) no sabemos qué podría ser esa materia oscura. Solo se han excluido ciertas partes del espacio de parámetros.
@Rob Jeffries: No persigo mis propias ideas, les hablo a los lectores sobre la relatividad general y me refiero a lo que dijo Einstein. Esto significa que la energía del campo gravitacional, que también es un espacio no homogéneo, es definitivamente una especie de materia oscura. Usted descartó eso como "apelar a la autoridad antigua" y efectivamente afirmó que un campo gravitacional está hecho de gravitones. No tenemos evidencia para apoyar esa afirmación. Y tampoco hay evidencia de WIMP. Pero la relatividad general es una de las teorías mejor probadas que tenemos. Consulte arxiv.org/abs/1403.7377 .
¡Excepto que GR no logra explicar las curvas de rotación de las galaxias, lentes gravitacionales, dispersiones de velocidad de cúmulos, etc., sin la presencia de materia oscura!
¿O está afirmando que la materia oscura no es necesaria porque GR explica todo y no está de acuerdo con absolutamente todos, tanto los entusiastas de la materia oscura como los de MOND? Si su argumento es solo sobre si la materia oscura está hecha de partículas, entonces -1 para su primera oración porque no sabe (si se requiere materia oscura) si está hecha de partículas o no, y nadie más lo sabe, y luego otro -1 por ofuscar el problema con irrelevancias sobre las coordenadas GP y lo que dijo Einstein en 1916, cuando la materia oscura ni siquiera existía.
@Rob Jeffries: Lo que dijo Einstein en 1916 y 1920 no es irrelevante. Dijo que la energía del campo gravitacional tiene un efecto gravitacional y describió un campo gravitatorio como un espacio no homogéneo. Eso significa que la energía espacial no homogénea cuenta como materia oscura. El resto es sencillo. Tenemos pruebas de la materia oscura, de la conservación de la energía y de la expansión del universo. Pero no tenemos evidencia de WIMP, después de casi 40 años. Las coordenadas GP son relevantes para disipar el mito de la ciencia pop de que el espacio cae en un campo gravitacional. Todo eso merece mucho mejor que -2.
¿Por qué las estrellas de neutrones no están llenas de materia oscura?
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