Несмотря на 90 лет исследований, природа и влияние Темной Материи продолжают ускользать от астрономов и космологов. Эта невидимая масса, впервые предложенная в 1960-х годах для объяснения кривых вращения галактик, не взаимодействует с обычной материей (кроме гравитации) и составляет 85% от общей массы Вселенной. Это также жизненно важный компонент наиболее широко распространенной космологической модели Вселенной — модели лямбда-холодной темной материи (LCDM). Однако, согласно новому исследованию, охота на DM может закончиться, как только ближайшая звезда станет сверхновой.
В настоящее время аксион считается наиболее вероятным кандидатом на роль ТМ — гипотетической частицы малой массы, предложенной в 1970-х годах для решения проблем квантовой теории. Также были проведены значительные исследования того, как астрономы могут обнаруживать аксионы, наблюдая нейтронные звезды и объекты с мощными магнитными полями. В недавнем исследовании, поддержанном Министерством энергетики США, группа астрофизиков из Калифорнийского университета в Беркли утверждала, что аксионы могут быть обнаружены 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, описывающая их результаты, была опубликована 19 ноября в журнале. Письма о физических отзывах. По их мнению, аксионы будут производиться в больших количествах в течение первых 10 секунд после того, как массивная звезда претерпевает коллапс ядра и становится нейтронной звездой. Затем эти аксионы ускользнут и превратятся в высокоэнергетические гамма-лучи в интенсивном магнитном поле звезды.
На протяжении десятилетий поиски темной материи были сосредоточены на массивных компактных объектах гало (MACHO). Когда им не удалось материализоваться, физики начали рассматривать слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) 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 вписывается в Стандартную модель физики элементарных частиц и решает несколько нерешенных вопросов квантовой механики, включая Теорию всего (ToE).
Самым сильным кандидатом на роль аксионов является аксион квантовой хромодинамики (КХД), который теоретически взаимодействует со всей материей, хотя и слабо. Как показали предыдущие исследования, аксионы иногда превращаются в фотоны в присутствии сильного магнитного поля, которое можно обнаружить. Однако такое обнаружение будет очень сложной задачей, поскольку для этого потребуется, чтобы сверхновая находилась поблизости (внутри Млечного Пути или одной из его галактик-спутников). Кроме того, наблюдаемые сверхновые редки и происходят раз в 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 «Максимальная солнечная энергия» (SMM) наблюдала за БМО, но была недостаточно чувствительна, чтобы обнаружить прогнозируемую интенсивность гамма-лучей. Бенджамин Сафди, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли и старший автор статьи, объяснил в недавнем заявлении UC Berkeley News:
«Если бы мы увидели сверхновую, такую как сверхновая 1987А, с помощью современного гамма-телескопа, мы смогли бы обнаружить или исключить этот аксион КХД, этот самый интересный аксион, на большей части пространства ее параметров — по сути, на всем параметре. пространство, которое невозможно исследовать в лаборатории, а также большую часть пространства параметров, которое можно исследовать в лаборатории. И все это произойдет за 10 секунд».
С помощью серии суперкомпьютерных симуляций, в которых использовалась SN1987A для ограничения аксионов с более высокой массой, Сафди и его коллеги определили, что сверхновые типа II одновременно производят вспышки гамма-лучей и нейтрино. Они также отметили, что производимые гамма-лучи будут зависеть от массы аксионов и будут длиться 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 космические источники гамма-излучения. Основываясь на поле зрения, ученые подсчитали, что у Ферми будет примерно один шанс из десяти обнаружить сверхновую. С этой целью команда предлагает создать гамма-телескоп следующего поколения, известный как GALactic AXion Instrument for Supernova (GALAXIS). Сказал Сафди:
«Это действительно привело нас к мысли о нейтронных звездах как об оптимальных целях для поиска аксионов в качестве аксионных лабораторий. У нейтронных звезд много интересного. 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 построить в лаборатории. Это помогает преобразовать аксионы в наблюдаемые сигналы».
Как они отмечают, однократное обнаружение гамма-лучей позволило бы точно определить массу аксиона в огромном диапазоне теоретических масс и позволило бы лабораторным экспериментам переориентировать свои усилия на подтверждение этой массы. Даже отсутствие обнаружения означало бы, что ученые могли бы исключить широкий диапазон потенциальных масс аксиона, что значительно сузило бы поиск Темной Материи. Тем временем Сафди и его коллеги надеются, что телескопу Ферми повезет.
«Наилучший сценарий для аксионов — Ферми поймает сверхновую», — добавил он. «Просто вероятность этого невелика. Но если бы Ферми увидел это, мы смогли бы измерить его массу. Мы сможем измерить силу его взаимодействия. Мы сможем определить все, что нам нужно знать об аксионе, и будем невероятно уверены в сигнале, потому что не существует обычной материи, которая могла бы создать такое событие».
Дополнительная литература: Новости Калифорнийского университета в Беркли, Письма о физических отзывах
