Аксионное облако вокруг нейтронной звезды. Хотя некоторые аксионы избегают гравитационного притяжения звезды, многие остаются связанными со звездой и образуют облако, окружающее ее в течение длительного периода времени. Взаимодействуя с сильным магнитным полем нейтронной звезды, некоторые аксионы преобразуются в фотоны — свет, который мы в конечном итоге сможем обнаружить с помощью наших телескопов на Земле. Фото предоставлено: Амстердамский университет.
Команда физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда показала, что чрезвычайно легкие частицы, называемые аксионами, могут появляться в больших облаках вокруг нейтронных звезд. Эти аксионы могут быть объяснением неуловимой темной материи, которую ищут космологи, и, более того, их не так уж и сложно наблюдать.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review.
В то время как их предыдущая работа исследовала аксионы, покидающие нейтронную звезду, теперь исследователи сосредоточились на тех, которые остались позади — аксионах, захваченных гравитацией звезды. Со временем эти частицы должны постепенно сформировать нечеткое облако вокруг нейтронной звезды, и оказывается, что такие аксионные облака вполне можно наблюдать в наши телескопы. Но почему астрономов и физиков так интересуют туманные облака вокруг далеких звезд?
Аксионы: от мыла к темной материи
Протоны, нейтроны, электроны, фотоны – большинство из нас знает названия хотя бы некоторых из этих крошечных частиц. Аксион менее известен, и на то есть веские причины: в настоящее время это лишь гипотетический тип частиц, который еще никто не открыл.
Названное в честь марки мыла, его существование было впервые постулировано в 1970-х годах для решения проблемы (отсюда и упоминание о мыле) в нашем понимании одной из частиц, которую мы могли очень хорошо наблюдать: нейтрона. Хотя эти аксионы теоретически очень красивы, если бы они существовали, они были бы чрезвычайно легкими, из-за чего их было бы очень трудно обнаружить в экспериментах или наблюдениях.
Сегодня аксионы также считаются ведущими кандидатами на объяснение темной материи, одной из величайших загадок современной физики. Широкий спектр данных свидетельствует о том, что около 85% материи в нашей Вселенной является «темной», что просто означает, что она не состоит из какого-либо типа материи, который мы знаем и можем наблюдать в настоящее время.
Вместо этого о существовании темной материи можно судить лишь косвенно через гравитационное влияние, которое она оказывает на видимую материю. К счастью, это не означает автоматически, что темная материя вообще не имеет никаких других взаимодействий с видимой материей, но если такие взаимодействия действительно существуют, их сила обязательно мала. Как следует из названия, это невероятно затрудняет непосредственное наблюдение за каждым возможным кандидатом в темную материю.
Сложив два и два, физики поняли, что аксион может быть именно тем, что они ищут для решения проблемы темной материи. Частица, которую еще не наблюдали, которая была бы чрезвычайно легкой и имела бы очень слабое взаимодействие с другими частицами… могли бы аксионы быть хотя бы частью объяснения темной материи?
Нейтронные звезды как увеличительные стекла
Идея аксиона как частицы темной материи прекрасна, но в физике идея по-настоящему красива только в том случае, если она имеет наблюдаемые последствия. Есть ли вообще способ наблюдать аксионы спустя пятьдесят лет после того, как впервые было предположено их возможное существование?
Ожидается, что аксионы могут превращаться в фотоны — легкие частицы — и наоборот под воздействием электрических и магнитных полей. Мы умеем наблюдать свет, но, как уже говорилось, соответствующая сила взаимодействия должна быть очень мала, а потому и количество света, которое производят аксионы, в целом тоже очень мало. То есть, если только вы не рассматриваете среду с действительно большим количеством аксионов, в идеале в очень сильных электромагнитных полях.
Это побудило исследователей рассмотреть нейтронные звезды, самые плотные известные звезды в нашей Вселенной. Эти объекты имеют массу, подобную нашему Солнцу, но сжаты в звезды размером от 12 до 15 километров.
Такая экстремальная плотность создает столь же экстремальную среду, которая, в частности, также содержит огромные магнитные поля, которые в миллиарды раз сильнее, чем те, которые мы обнаруживаем на Земле. Недавние исследования показали, что эти магнитные поля позволяют нейтронным звездам массово производить эти частицы вблизи своей поверхности, когда присутствуют аксионы.
Обзор четырех стадий, характеризующих формирование и эволюцию аксионных облаков вокруг нейтронных звезд. Изображение предоставлено: Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041015
Те, кто остался позади
В своей предыдущей работе авторы сосредоточились на аксионах, покинувших звезду после их рождения, — они рассчитали, в каких количествах эти аксионы будут производиться, по каким траекториям они будут следовать, а также их преобразование в свет в слабый, но потенциально наблюдаемый. Результат может привести к сигналу.
На этот раз они смотрят на аксионы, которым не удалось ускользнуть – те, которые, несмотря на свою небольшую массу, захватываются огромной гравитацией нейтронной звезды.
Из-за очень слабых взаимодействий аксионов эти частицы остаются поблизости и накапливаются вокруг нейтронной звезды на временных масштабах до миллионов лет. Это может привести к образованию очень плотных аксионных облаков вокруг нейтронных звезд, открывая невероятные новые возможности для исследования аксионов.
В своей работе исследователи изучают формирование, а также свойства и дальнейшее развитие этих аксионных облаков и отмечают, что они должны и во многих случаях должны существовать.
Фактически, авторы утверждают, что если аксионы существуют, аксионные облака должны быть общими (при широком диапазоне свойств аксионов они должны образовываться вокруг большинства, а возможно, даже всех нейтронных звезд), но в целом они должны быть очень плотными (возможно, образуя плотность ). (на двадцать порядков больше, чем плотность локальной темной материи) и, следовательно, должно приводить к сильным наблюдательным сигнатурам.
Последнее потенциально проявляется во многих формах, из которых авторы обсуждают две: непрерывный сигнал, излучаемый на протяжении большей части жизни нейтронной звезды, а также однократную вспышку света в конце жизни нейтронной звезды, когда она перестает производить его электромагнитное излучение. Обе сигнатуры можно было бы даже наблюдать с помощью существующих радиотелескопов и использовать для изучения взаимодействия между аксионами и фотонами за пределами нынешних ограничений.
Что дальше?
Хотя до сих пор аксионных облаков не наблюдалось, благодаря новым результатам мы точно знаем, что искать, что значительно упрощает тщательный поиск аксионов. Таким образом, хотя основным пунктом в списке дел является «поиск аксионных облаков», эта работа также открывает несколько новых теоретических возможностей для изучения.
С одной стороны, один из авторов уже участвует в последующей работе по изучению того, как аксионные облака могут изменить динамику самих нейтронных звезд. Еще одним важным будущим направлением исследований является численное моделирование аксионных облаков: настоящая работа показывает большой потенциал для открытий, но необходимо дальнейшее численное моделирование, чтобы еще точнее знать, что и где искать.
Наконец, все представленные результаты относятся к одиночным нейтронным звездам, но многие из этих звезд появляются как компоненты двойных звезд — иногда вместе с другой нейтронной звездой, иногда вместе с черной дырой. Было бы очень полезно понять физику аксионных облаков в таких системах и, возможно, также понять сигналы их наблюдений.
Таким образом, настоящая работа является важным шагом в новом и захватывающем направлении исследований. Полное понимание аксионных облаков требует дополнительных усилий со стороны различных областей науки, включая физику элементарных частиц (астрофизику), физику плазмы и наблюдательную радиоастрономию.
Эта работа открывает новую междисциплинарную область со множеством возможностей для будущих исследований.
Информация от: Амстердамским университетом
