Study of the capture of dark matter into neutron stars

Abstract

The fundamental nature of Dark Matter (DM) remains one of the most pressing unsolved problems in contemporary physics and cosmology. Despite significant experimental efforts, direct detection of DM particles has remained elusive, leaving gravitational signatures as our primary window into its properties. Compact astrophysical objects, particularly neutron stars, provide natural laboratories for probing these unknown components of the Universe. This dissertation explores the interplay between DM and neutron star matter, addressing both theoretical stability and observational implications of DM-admixed compact stars. The first part of this work investigates neutron stars composed of both ordinary baryonic matter and self-interacting dark matter, modeled through a two-fluid formalism. Focusing on fermionic and bosonic DM candidates with particle masses in the range $0.01-–1.5\: GeV$ and self-interaction strengths between $10^{-4}$ and $10^{-1}\:MeV^{-1}$, we reveal the existence of stable, supramassive configurations that deviate significantly from conventional neutron star structures. These configurations—characterized by a neutron star core enveloped by an extended DM halo—demonstrate equilibrium solutions with masses exceeding 100 solar masses and radii spanning hundreds of kilometers. This scenario suggests that such objects could exist without collapsing into black holes, potentially offering novel candidates for astrophysical observation and indirect dark matter detection. In parallel, this thesis includes collaborative work that investigates theoretical tools for assessing the stability of exotic compact objects composed of fermionic or bosonic matter. While not leading the core analysis, my contribution in the Equations of State of fermionic and bosonic matter supported the broader investigation into the use of configurational entropy as an indicator of structural stability. This collaborative effort highlighted the potential of information-theoretic approaches to complement traditional perturbative methods and deepened the contextual understanding of compact object formation in non-standard regimes. Finally, this dissertation contributes to the growing discussion around the so-called mass gap—the observed absence of astrophysical objects between the heaviest neutron stars $(\approx2.5\: M_\odot)$ and the lightest black holes $(\approx5 \:M_\odot)$. We propose a theoretical scenario wherein this gap is populated by hybrid compact objects consisting of gravitationally bound hadronic matter and self-interacting, non-annihilating fermionic dark matter. We explore their formation pathways and potential observational signatures, providing a framework to guide future astronomical surveys and gravitational wave observations. The second part of this work aims to explain the "anomalous" observational data such as HESS J1731-347 and XTE J1814-338 using the neutron dark decay model, that explains simultaneously the neutron lifetime problem. Using the right conditions (dm self-interaction, dm-neutron interaction, cutoff number density) these observations can be predicted, providing a usefull tool at the same time for the explanation of configurations existing in the lower leftpart of the M-R diagram. Also, the suppression of this mechanism is also studied, suggesting an alternative to the multi-branch scenario.

Η στοιχειώδης φύση της Σκοτεινής Ύλης (ΣΥ) είναι ακόμα ένα από τα αναπάντητα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής και κοσμολογίας. Παρά τις αμέτρητες πειραματικές προσπάθειες, άμεση ανίχνευση σωματιδίων ΣΥ δεν έχει γίνει, με τις βαρυτικές επιδράσεις τους να είναι η μόνη πηγή πληροφοριών για τις ιδιότητές τους. Συμπαγή αστροφυσικά αντικείμενα, κατά κύριο λόγο Αστέρες Νετρονίων (ΑΝ), φέρονται σαν φυσικά εργαστήρια για τον εντοπισμό αυτών των άγνωστων μέχρι τώρα σωματιδίων του σύμπαντος. Η διατριβή αυτή εξετάζει την αλληλεπίδραση σκοτεινής και νετρονικής ύλης, εξετάζοντας και την ευστάθεια και τις παρατηρησιακές επιπτώσεις των ΣΥ-ΑΝ συμπαγών αντικειμένων. Το πρώτο μέρος αυτής της δουλειάς ερευνά τους ΑΝ που είναι δομημένοι και με νετρονική αλλά και με αυτοαλληλεπιδρώμενη σκοτεινή ύλη, ακολουθώντας το μοντέλο των δυο ρευστών. Εστιαζόμενοι σε φερμιονική και μποζονική ΣΥ με σωματίδια μάζας $0,01-1,5 \:GeV$ και ισχύ αυτοαλληλεπίδρασης μεταξύ $10^{-4}$ και $10^{-1}\:MeV$, παρουσιάζουμε την ύπαρξη ευσταθών, υπέρπυκνων και υπερμεγέθων δομών που παρεκκλίνουν από τους συνήθεις ΑΝ. Αυτές οι δομές-που χαρακτηρίζονται από έναν ΑΝ σαν πυρήνα που περιβάλλεται από ένα "φωτοστέφανο" ΣΥ-παρουσιάζουν ευσταθείς καταστάσεις με μάζες που πολλές φορές ξεπερνούν τις 100 ηλιακές μάζες και ακτίνες που φτάνουν ως και τα εκατοντάδες χιλιόμετρα. Αυτό το σενάριο συνιστά την ύπαρξη τέτοιων δομών χωρίς αυτές να καταρρέουν σε Μελανές Οπές, προσφέροντας καινοτόμους υποψήφιους για να εξηγήσουν τα παρατηρισιακά δεδομένα αλλά και για τον έμμεσο εντοπισμό ΣΥ. Παράλληλα, η διατριβή αυτή εμπεριέχει τη συνεργατική δουλειά η οποία ερευνά θεωρητικά εργαλεία που ελέγχουν την ευστάθεια εξωτικών συμπαγών αντικειμένων τα οποία δομούνται από φερμιονική ή μποζονική ύλη. Παρόλο που δεν είχα κύριο ρόλο στην ανάλυση αυτή, η δουλειά μου στις καταστατικές εξισώσεις φερμιονικής και μποζονικής ύλης ενίσχυσε την ευρύτερη έρευνα της ευστάθειας των δομών....Εν τέλει, η διατριβή αυτή συνέβαλε στην συζήτηση που περιβάλλει το περιβόητο κενό μάζας-παρατηρούμενη απουσία αστροφυσικών αντικειμένων ανάμεσα από τους βαρύτερους ΑΝ $(\approx\:2.5M_\odot)$ και τις ελαφρύτερες Μελανές Οπές $(\approx\:5M_\odot)$. Προτείναμε ένα θεωρητικό σενάριο όπου το κενό αυτό μπορεί να γεμίσει από υβριδικά υπέρπυκνα αντικείμενα δομημένα από βαρυτικά δεσμευμένη νετρονική και αυτοαλληλεπιδρώμενη, μη-καταστρεπτική φερμιονική σκοτεινή ύλη. Εξερευνήσαμε τον σχηματισμό και πιθανά σημάδια παρατήρησής τους, δίνοντας το "σκελετό" σαν οδηγό μελλοντικών αστρονομικών παρατηρήσεων και ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Το δεύτερο μέρος της δουλειάς στοχεύει στην εξήγηση "ανόμαλων" παρατηρήσεων όπως το \text{HESS J1731-347} και το \text{XTE J1814-338} χρησιμοποιώντας το μοντέλο της σκοτεινής διάσπασης του νετρονίου, το οποίο δίνει ταυτόχρονα εξήγηση και στο πρόβλημα ζωής νετρονίων. Χρησιμοποιώντας τις σωστές συνθήκες/παραμέτρους (αλληλεπίδραση μεταξύ σκοτεινών σωματιδίων, μεταξύ σκοτεινών σωματιδίων και νετρονίων, πυκνότητα παύσης της διαδικασίας παραγωγής σκοτεινών σωματιδίων) αυτές οι παρατηρήσεις μπορούν να εξηγηθούν και θεωρητικά, δίνοντας εξήγηση ταυτόχρονα και για τις δομές που μπορεί να υπάρχουνστο κάτω-αριστερό μέρος του διαγράμματος μάζας-ακτίνας. Επίσης, μελετήθηκε η πιθανή κατάπαυση αυτού του μηχανισμού παραγωγής σκοτεινών σωματιδίων, προτείνοντας μια εναλλακτική θεωρία στο σενάριο των πολλών κλάδων για το διάγραμμα μάζας-ακτίνας.