Облака темной материи нужно искать вокруг нейтронных звезд
Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда показала, что частицы темной материи — аксионы могут собираться в большие облака вокруг нейтронных звезд. Новое исследование опубликовано в журнале Physical Review X.
В предыдущей работе та же группа астрофизиков изучала аксионы, которые убегают от нейтронной звезды, то теперь ученые сосредоточились на тех, которые остаются — на аксионах, захваченных гравитацией звезды.
Эти частиц, рождаясь под воздействием огромного магнитного поля звезды, должны постепенно образовывать облако. Как показали астрофизики, такие аксионные облака можно наблюдать даже в современные радиотелескопы.
Что такое аксионы
Протоны, нейтроны, электроны, фотоны — это элементарные частицы обычной материи. Они хорошо изучены. Но аксионы на данный момент являются лишь гипотетическим типом частиц, который пока никто не обнаружил.
Аксионы были предсказаны еще в 1970-е годы, а сегодня они являются главным кандидатом на объяснение темной материи, одной из самых больших загадок современной физики. Множество различных свидетельств указывают на то, что около 85% материи в нашей Вселенной является «темной», то есть она не состоит ни из одного типа материи, который мы знаем и можем наблюдать.
О существовании темной материи можно догадаться только косвенно по тому гравитационному влиянию, которое она оказывает на видимую материю. К счастью, это не означает, что темная материя не имеет других взаимодействий с видимой материей, но если такие взаимодействия существуют, их сила очень мала, а значит наблюдать темную материю очень сложно.
Возможно, аксион именно то, что физики ищут для решения проблемы темной материи.
Нейтронные звезды как увеличительные стекла
Идея аксиона как частицы темной материи — хороша, но в физике идея по-настоящему хороша только тогда, когда ее можно подтвердить экспериментом. Существует ли способ наблюдать аксионы?
Предполагается, что под воздействием электрических и магнитных полей аксионы могут превращаться в фотоны — частицы света — и наоборот. Свет — это то, что мы видим, но, как уже говорилось, сила взаимодействия аксионов с фотонами должна быть очень мала, а значит и количество света, которое аксионы обычно производят тоже очень мало, если только не рассматривать среду, содержащую действительно огромное количество аксионов. Это возможно только в очень сильных электромагнитных полях.
Это навело исследователей на мысль рассмотреть нейтронные звезды — самые плотные из известных звезд в нашей Вселенной. Эти объекты имеют массу, сравнимую с Солнцем, но они сжаты в звезды размером от 12 до 15 километров. Такая экстремальная плотность создает столь же экстремальную среду, которая порождает магнитные поля в миллиарды раз сильнее, чем на Земле. Недавние исследования показали, что если аксионы существуют, то эти магнитные поля позволяют нейтронным звездам массово производить эти частицы из фотонов у своей поверхности.
Те, что остались
В своей предыдущей работе авторы сосредоточились на аксионах, которые возникают и покидают звезду. Ученые рассчитали, в каких количествах эти аксионы будут производиться, по каким траекториям они будут двигаться и как их преобразование в свет может привести к слабому, но потенциально наблюдаемому сигналу.
В новой работе ученые рассмотрели аксионы, которые, несмотря на свою крошечную массу, попали под огромную гравитацию нейтронной звезды. Из-за очень слабых взаимодействий аксионов эти частицы будут накапливаться вокруг нейтронной звезды миллионы лет. Это может привести к образованию очень плотных облаков аксионов вокруг нейтронных звезд. И это открывает новые возможности для поиска и исследования аксионов.
В своей работе исследователи изучают образование, свойства и эволюцию аксионных облаков. Авторы утверждают, что если аксионы существуют, то аксионные облака должны формироваться вокруг большинства, возможно, даже у всех нейтронных звезд. Облака должны быть очень плотными (их плотность, возможно, на двадцать порядков больше, чем плотность обычной темной материи), и из-за этого они должны приводить к мощным наблюдательным сигнатурам.
Последние потенциально могут быть разных типов, из которых авторы рассматривают два: непрерывный сигнал, излучаемый в течение значительной части жизни нейтронной звезды, и одноразовый всплеск света в конце жизни нейтронной звезды, когда она прекращает производить свое электромагнитное излучение. Обе эти сигнатуры можно наблюдать и использовать для исследования взаимодействия аксионов и фотонов даже с помощью существующих радиотелескопов.
Хотя до сих пор аксионные облака наблюдать не удавалось, благодаря новым результатам ученые знают, что именно нужно искать, и это делает тщательный поиск аксионов гораздо более реальным.