2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Theoretische Physiker aus Großbritannien haben ein Programm entwickelt, das das Verhalten eines Axionsterns numerisch simuliert und so wenig Rechenressourcen benötigt, dass es mit der Leistung eines gewöhnlichen Heimcomputers ausgeführt werden kann. Bisher mussten Wissenschaftler für solche Berechnungen Supercomputer verwenden. Artikel veröffentlicht in Physics Letters B.
Einer der alternativen Kandidaten für die Rolle von Teilchen der dunklen Materie ist das dunkle Axion, ein hypothetisches ultraleichtes Teilchen (es wird angenommen, dass seine Masse im Bereich von 10-18 bis 10-6 Elektronenvolt liegt). Die Axionen wurden ursprünglich erfunden, um das Problem der Aufrechterhaltung der CP-Invarianz in der Quantenchromodynamik (starkes CP-Problem) zu lösen. CP-Invarianz der QCD bedeutet, dass sich ihre Gesetze bei gleichzeitigem Ersatz aller Teilchen durch Antiteilchen und Spiegelung des Systems nicht ändern; Im Allgemeinen gibt es im Standardmodell keine Mechanismen, die zu einem solchen Erhaltungssatz führen, jedoch würde die Hinzufügung eines neuen Feldes in die Theorie, dessen Schwingungen dem Axion entsprechen, diese Tatsache erklären. Gleichzeitig wechselwirkt das Axion sehr schwach mit anderen Teilchen des Standardmodells, was es zu einem guten Kandidaten für die Rolle der Dunklen Materie macht. Bisher gibt es keine experimentelle Bestätigung für die Existenz dieses Teilchens, obwohl aktiv danach gesucht wird. Mehr Details zu Axionen finden Sie in unseren News [1, 2], sowie im Artikel "Sie suchen schon lange, finden aber nicht …".
Theoretische Studien zeigen, dass axionische Dunkle Materie stabile Strukturen bilden kann, die durch die Anziehungskraft der Gravitation gebunden sind. Je nachdem, welche Werte der Axionmasse und der Zerfallskonstante (die charakteristische Skala der Symmetriebrechung) in der Natur realisiert werden, gehören solche Strukturen zu einem von drei Typen (Phasen). Erstens können sie während ihrer gesamten Existenz stabil sein; in diesem Fall spricht man von Axionsternen (oder bosonischen Sternen), analog zu Sternen aus gewöhnlicher Materie. Zweitens kann sich Dunkle Materie unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und sich in ein Schwarzes Loch verwandeln. Schließlich können bosonische Sterne eine große Anzahl relativistischer Axionen aussenden, die Supernovae aus der Astrophysik oder Bosenova aus der Physik der kondensierten Materie ähneln. In der Regel ist es sehr schwierig zu bestimmen, welcher Typ für die gegebenen Werte der Parameter realisiert wird - die genaue Lösung des Problems ist noch nicht gefunden und numerische Berechnungen erfordern viel Rechenleistung. Im vergangenen Jahr führte eine Gruppe von Wissenschaftlern um Ricardo Becerril jedoch eine solche Berechnung mit dem Supercomputer COSMOS durch und zeichnete das Phasendiagramm von bosonischen Sternen auf.
In einer neuen Arbeit der Physiker Florent Michel und Ian Moss reproduzierte Beerils Gruppe das Ergebnis auf einem normalen Heimcomputer und entwickelte einen weniger anspruchsvollen Algorithmus. Als Berechnungsgrundlage dienten den Forschern das 1987 von den israelischen Theoretikern Dalia Goldwirth und Tsvi Piran erfundene Nullkoordinaten-Integrationsschema. Bei dieser Methode wird das Koordinatenraster so gewählt, dass es die Details des Einsturzes am genauesten erfasst (es "fließt" zusammen mit der einstürzenden Materie in das Objekt ein). Dadurch wird das System der Feldgleichungen auf ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen reduziert, die nach Angaben der Autoren des Artikels in wenigen Minuten auf einem gewöhnlichen Heimcomputer numerisch integriert werden können.
Die Wissenschaftler lösten die erhaltenen Gleichungen numerisch und fanden heraus, wie sich ein Axion-Stern im Laufe der Zeit in Abhängigkeit vom Wert der Axion-Masse m, der Zerfallskonstante f und der Bondi-Masse MB (d Beobachter im asymptotisch flachen Raum). Als Ergebnis konnten die Forscher das in der vorherigen Arbeit erhaltene Bild reproduzieren – klare Grenzen zwischen den Phasen und einen dreifachen kritischen Punkt zu sehen, an dem die Phasen eines bosonischen Sterns, eines Schwarzen Lochs und eines Bosenovs zusammenlaufen. Dennoch unterschied sich die Lage des kritischen Punktes signifikant von der zuvor gefundenen, obwohl sie mit der nichtrelativistischen Grenze übereinstimmte. Außerdem erwies sich die Grenze zwischen der Bosen- und der Schwarzen-Loch-Phase als verschwommen – der Endzustand des Sterns hing stark von den Anfangsbedingungen ab und war von benachbarten Punkten aus nicht vorhersehbar.
Die Autoren des Artikels vermuten, dass diese Unsicherheit mit den Unzulänglichkeiten des numerischen Modells zusammenhängt, das es erlaubt, nur kugelsymmetrische Situationen zu untersuchen. Vielleicht gleichen die beim Kollaps entstehenden Asymmetrien in Wirklichkeit die Position aus, und es lässt sich eine kontinuierliche Grenze zwischen den Phasen ziehen. Das Programm der Wissenschaftler erfasst jedoch die Hauptabhängigkeiten korrekt und erfordert relativ wenig Rechenressourcen und sollte daher die weitere Untersuchung von bosonischen Sternen vereinfachen.
Phasendiagramm eines Axionsterns
"Unscharfe" Grenze zwischen den Phasen von Bosen (blaue Punkte) und einem Schwarzen Loch (schwarze Punkte)
Im November 2017 untersuchten theoretische Physiker aus Spanien und Portugal numerisch, wie bosonische Sterne das in ihrer Nähe passierende Licht verzerren. Es stellte sich heraus, dass sich Sterne in einer Entfernung, die den Gravitationsradius des Objekts überschreitet, ähnlich wie Schwarze Löcher verhalten, die Bilder ihrer "inneren Regionen" jedoch sehr unterschiedlich sind. Während Schwarze Löcher das Licht, das den Ereignishorizont durchquert, vollständig absorbieren und einen sichtbaren "Schatten" werfen, füllen bosonische Sterne die "innere Region" mit einer unendlichen Anzahl sich wiederholender Kopien des Musters des Weltraums. Darüber hinaus haben Wissenschaftler gezeigt, dass bosonische Sterne mit den berücksichtigten Teilchenparametern instabil sind und unter dem Einfluss äußerer Störungen schnell zu Schwarzen Löchern kollabieren und die Lebensdauer eines Sterns direkt proportional zu seiner Masse ist (schwere Sterne leben länger)..
Die Autoren des Artikels stellten jedoch fest, dass sie viel Rechenzeit benötigten, um die beschriebenen Ergebnisse zu erhalten – insbesondere mussten sie die Rechencluster der Universität Valencia und der Universität Aveiro verwenden. Vielleicht bringt ein neuer Job mit viel weniger Aufwand ähnliche Ergebnisse.
