Несмотря на 90 лет исследований, астрономы и космологи продолжают ускользать от природы и влияния темной материи. Эта невидимая масса была впервые предложена в 1960-х годах для объяснения кривых вращения галактик. Она не взаимодействует с обычной материей (кроме гравитации) и составляет 85% общей массы Вселенной. Это также важный компонент наиболее широко используемой космологической модели Вселенной — модели LCDM (Lambda Cold Dark Matter). Однако, согласно новому исследованию, охота на DM может закончиться, как только ближайшая звезда станет сверхновой.
В настоящее время наиболее вероятным кандидатом на роль ТМ является аксион — гипотетическая частица малой массы, предложенная в 1970-х годах для решения задач квантовой теории. Также проводятся обширные исследования того, как астрономы могут обнаруживать аксионы, наблюдая нейтронные звезды и объекты с сильными магнитными полями. В недавнем исследовании, поддержанном Министерством энергетики США, группа астрофизиков из Калифорнийского университета в Беркли утверждала, что аксионы можно обнаружить в течение нескольких секунд после обнаружения гамма-лучей от ближайшего взрыва сверхновой.
Исследование провели исследователи из Центра теоретической физики Беркли (BCTP) и член группы теоретической физики Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL). Статья с описанием их результатов была опубликована в журнале 19 ноября. Письма о медицинском осмотре. Они утверждают, что аксионы производятся в больших количествах в первые 10 секунд после того, как массивная звезда подвергается коллапсу ядра и превращается в нейтронную звезду. Затем эти аксионы ускользнут и превратятся в высокоэнергетические гамма-лучи в интенсивном магнитном поле звезды.
На протяжении десятилетий поиск темной материи был сосредоточен на массивных компактных гало-объектах (MACHO). Когда они не смогли материализоваться, физики начали рассматривать слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы) как наиболее вероятного кандидата, но также не смогли найти ничего реального. Это привело к тому, что аксионы стали наиболее широко признанным кандидатом — элементарной частицей, которая соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц и решает несколько нерешенных вопросов квантовой механики, включая Теорию всего (ToE).
Самым сильным кандидатом на аксион является аксион квантовой хромодинамики (КХД), который теоретически взаимодействует, хотя и слабо, со всей материей. Как показали предыдущие исследования, аксионы иногда превращаются в фотоны, когда существует сильное магнитное поле, которое можно обнаружить. Однако такие доказательства будут очень трудными, поскольку для этого потребуется, чтобы сверхновая находилась поблизости (внутри Млечного Пути или одной из его галактик-спутников). Кроме того, наблюдаемые сверхновые редки и происходят каждые несколько десятилетий.
В последний раз астрономы наблюдали это явление в 1987 году, когда сверхновая типа II (SN1987A) внезапно появилась в Большом Магеллановом Облаке (БМО), примерно в 168 000 световых годах от Земли. В то время миссия НАСА «Максимальный солнечный свет» (SMM) наблюдала за БМО, но была недостаточно чувствительна, чтобы обнаружить прогнозируемую интенсивность гамма-излучения. Бенджамин Сафди, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли и ведущий автор статьи, объяснил в недавнем заявлении для UC Berkeley News:
«Если бы мы увидели сверхновую, подобную Supernova 1987A, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот аксион КХД, этот самый интересный аксион, на большей части ее пространства параметров – по сути, на всем пространстве параметров, которое не могут быть изучены в лаборатории, и большая часть параметров пространства, которые также могут быть исследованы в лаборатории. И все произойдет за 10 секунд».
С помощью серии суперкомпьютерных симуляций с использованием SN1987A для удержания аксионов большей массы Сафди и его коллеги обнаружили, что сверхновые типа II производят одновременные вспышки гамма-лучей и нейтрино. Они также обнаружили, что производимые гамма-лучи зависят от массы аксионов и длятся всего 10 секунд после образования нейтронной звезды. После этого темпы производства резко упадут. Это означает, что космический гамма-телескоп должен быть направлен на сверхновую точно в нужное время.
Космический гамма-телескоп Ферми в настоящее время является единственной обсерваторией, способной обнаруживать источники космического гамма-излучения. Основываясь на его поле зрения, ученые подсчитали, что вероятность того, что Ферми обнаружит сверхновую, составляет примерно один из десяти. С этой целью команда предлагает построить гамма-телескоп следующего поколения, известный как GALActic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Сафди сказал:
«Это действительно заставило нас задуматься о нейтронных звездах как об оптимальных целях для поиска аксионов в качестве аксионных лабораторий. Нейтронные звезды могут многое предложить. Это чрезвычайно горячие объекты. Они также обладают очень сильными магнитными полями. Самые сильные магнитные поля в нашей Вселенной наблюдаются вокруг нейтронных звезд, таких как магнетары, магнитные поля которых в десятки миллиардов раз сильнее, чем все, что мы можем создать в лаборатории. Это помогает преобразовать эти аксионы в наблюдаемые сигналы».
Как они отмечают, однократное обнаружение гамма-лучей позволило бы определить массу аксиона в широком диапазоне теоретических масс и позволить лабораторным экспериментам сосредоточить свои усилия на подтверждении этой массы. Даже отсутствие обнаружения будет означать, что ученые смогут исключить широкий диапазон потенциальных масс аксиона, что значительно ограничит поиск темной материи. Тем временем Сафди и его коллеги надеются, что телескопу Ферми повезет.
«Лучшим сценарием для аксионов было бы то, что Ферми поймает сверхновую», — добавил он. «Просто вероятность того, что это произойдет, невелика. Но если бы Ферми увидел это, мы могли бы измерить его массу. Мы могли бы измерить силу его взаимодействия. Мы сможем определить все, что нам нужно знать об аксионе, и быть невероятно уверены в сигнале, потому что не существует обычной материи, которая могла бы вызвать такое событие».
Дополнительная литература: Новости Калифорнийского университета в Беркли, Письма о медицинском осмотре
