النجوم النيوترونية - بقايا المستعرات العظمى - هي من بين أكثر الأجسام كثافة في الكون. كثافتها المركزية تفوق الكثافة النووية بأضعاف، وجاذبيتها لا يضاهيها سوى الثقوب السوداء. لهذا السبب تحديداً، تُعد النجوم النيوترونية مختبراً مثالياً لاختبار الفيزياء الأساسية: من سلوك المادة عند كثافات فوق نووية إلى خصائص المادة المظلمة التي نشأت بعد الانفجار العظيم. هذه الكتل الكونية من المادة تشبه اللآلئ التي تولدت في نيران المستعرات العظمى، وقد تخفي كل واحدة منها سراً مظلماً.

النجم النيوتروني يشبه لؤلؤة تتشكل في أعماق الكون المظلم. تتصرف جسيمات المادة المظلمة كشوائب، إما أن تترسب على سطح النجم لتكوّن طبقة سميكة من عرق اللؤلؤ، أو تتجمع في المركز لتشكل نواة مظلمة. هذا ما أظهرته دراسة جديدة: اعتماداً على كتلة الجسيمات، تشكل المادة المظلمة إما هالة ممتدة حول النجم أو نواة مدمجة داخله. لوصف هذه الظاهرة، استخدم العلماء نموذج المائعين، حيث يتفاعل المكونان النووي والمظلم عبر الجاذبية فقط. معادلة التوازن الهيدروستاتيكي لمثل هذا النظام تشبه معادلة تولمان-أوبنهايمر-فولكوف المعدلة، لكن الآن كل ضغط للمائع يُحافظ عليه بشكل مستقل، وانحناء الزمكان يستجيب للكتلة الكلية.

تأثير المادة المظلمة يعتمد بشكل كبير على كتلة جسيماتها. المادة المظلمة الخفيفة (0.2–0.3 جيجا إلكترون فولت) تشكل هالة متخلخلة، مما يزيد من نصف القطر الفعال للنجم. هذا يشبه طبقة سميكة من عرق اللؤلؤ تجعل اللؤلؤة أكبر وأكثر عرضة لقوى المد والجزر الخارجية. تزداد قابلية التشوه المدي Λ، المتناسبة مع القوة الخامسة لنصف القطر، بشكل حاد، وقد تم تقييد هذه التكوينات بشدة ببيانات موجات الجاذبية من حدث GW170817، الذي رصدته كواشف LIGO، والتي حصل راينر فايس على جائزة نوبل لتطويرها. أما المادة المظلمة الثقيلة (>0.7 جيجا إلكترون فولت)، فعلى العكس، تتركز في نواة مدمجة - مثل حبة رمل مظلمة في قلب اللؤلؤة - مما يجعل النجم أصغر ويقلل Λ. هنا، القياسات الأساسية للكتلة ونصف القطر تأتي من تلسكوب NICER العامل بالأشعة السينية، الذي يستخدم التحليل الطيفي لإشعاع النجوم النابضة التي اكتشفتها سابقاً جوسلين بيل بورنيل. أظهر التحليل الإحصائي أنه بالنسبة للمادة المظلمة الخفيفة، لا تتجاوز نسبتها المسموحة 11%. هذا تقدير متحفظ، لا يعتمد على نماذج محددة خارج النموذج القياسي.

يمهد هذا العمل طريقاً جديداً في البحث عن المادة المظلمة، الذي بدأ مع ملاحظات فيرا روبين لدوران المجرات، التي أشارت إلى كتلة مخفية. النهج اللاأدري المبني على استيفاء سرعة الصوت بين الأنظمة الحدية يشبه ضبط آلة موسيقية معقدة، حيث يمثل كل وتر معادلة حالة ممكنة، والنغمات التوافقية هي بيانات الرصد. القيد بأن سرعة الضوء هي الحد الأعلى لسرعة الصوت يلعب دور الشوكة الرنانة التي تستبعد الخيارات غير الفيزيائية. في المستقبل، ستتيح بيانات جديدة من هوائيات موجات الجاذبية من الجيل التالي ومراصد الأشعة السينية مثل Athena أو STROBE-X إلقاء نظرة على قلب هذه اللآلئ - وربما الكشف عن الحبة المظلمة.