Астрофизические и экспериментальные ограничения на пространство параметров аксиона. Маркированный регион «нейтронные звезды,» показано красным, представляет пространство параметров, которое было исключено из нашего исследования. Желтая линия с надписью «КХД Аксион» обозначает наиболее естественные и теоретически обоснованные аксионные модели КХД. Эта диаграмма представляет собой модифицированную версию диаграммы, представленной на сайте Gómez-Bañón et al. доступен.
Нейтронные звезды, остатки массивных звезд после взрыва сверхновой, часто оказывались в центре внимания исследований, направленных на проверку и раскрытие экзотической физики. Это связано с тем, что эти звезды являются одними из самых плотных объектов во Вселенной и поэтому имеют чрезвычайно высокие температуры и давления.
Недавние теоретические исследования исследовали возможность того, что аксионы квантовой хромодинамики (КХД), элементарные частицы, которые, как полагают, возникают в результате так называемого механизма Печчеи-Квинна, влияют на свойства нейтронных звезд. Взаимодействуя с нуклонами, эти частицы могли изменить структуру нейтронных звезд, что, в свою очередь, могло повлиять на их охлаждение.
Основываясь на этой идее, исследователи из Университета Аликанте и Технического университета Мюнхена недавно смоделировали процессы охлаждения нейтронных звезд и сравнили их с теоретическими предсказаниями для исследования ранее неисследованных областей пространства параметров аксионов. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, устанавливает новые ограничения на легкие аксионы КХД, которые могут повлиять на будущие поиски этих экзотических частиц.
«Это исследование возникло в результате дискуссий о том, как гипотетическая частица, такая как аксион КХД, может влиять на свойства ядерной материи.» Антонио Гомес-Баньон, ведущий автор статьи, рассказал Phys.org. «Мы поняли, что если бы аксион КХД был достаточно лёгким, он мог бы изменить размер оболочки нейтронной звезды — внешнего слоя, регулирующего её охлаждение.»
Основная цель недавней работы Гомеса-Баньона и его коллег заключалась в том, чтобы определить, может ли воздействие аксиона КХД на оболочку нейтронной звезды значительно ускорить охлаждение звезды, что противоречило бы предыдущим наблюдениям. Для этого они сначала исследовали, как аксион КХД может влиять на энергию и давление ядерной материи в нейтронных звездах.
Цветом показаны кривые остывания нейтронных звезд, на которые влияет наличие аксионного поля КХД. Серая область иллюстрирует типичный диапазон переменности кривых остывания обычных нейтронных звезд, согласующийся с наблюдениями. Через 0,1 миллиона лет три цветные кривые показывают светимость, которая на несколько порядков ниже наблюдаемой. Фото предоставлено: Гомес-Баньон и др.
«Используя это понимание, мы затем решили дифференциальные уравнения, которые описывают баланс сил между аксионным полем КХД, ядерной материей и гравитацией внутри нейтронной звезды.» объяснил Гомес-Баньон. «Наши решения показали, что оболочка нейтронной звезды становится значительно тоньше при определенных параметрах аксиона.»
Моделирование и анализ, проведенные Гомесом-Баньоном и его коллегами, показывают, что по мере того, как оболочка нейтронной звезды становится тоньше, звезда становится менее изолированной, что приводит к ее более быстрому охлаждению. Чтобы дополнительно подтвердить это предсказание, они интегрировали свои уравнения равновесия в моделирование остывания нейтронной звезды и исследовали, как температура нейтронной звезды менялась с течением времени.
«Как и ожидалось, кривые охлаждения, полученные в результате моделирования, предсказывали, что нейтронные звезды были холоднее, чем наблюдения в данном возрасте.» Гомес-Баньон сказал. «Это несоответствие позволяет нам наложить новые ограничения на параметры аксиона КХД.»
Моделирование и анализ, выполненные этой исследовательской группой, исключили новую область в пространстве аксионных параметров КХД. Кроме того, их работа представляет альтернативный подход к установлению ограничений на эти гипотетические частицы, основанный на наблюдениях за нейтронными звездами.
«В отличие от предыдущих ограничений, основанных на эмиссии аксионов и потерях энергии, наш подход основан на том, как поле аксионов КХД меняет структуру нейтронной звезды, сжимая ее оболочку и ускоряя охлаждение.» Гомес-Баньон добавил.
«В наших следующих исследованиях мы хотим сосредоточиться на поиске астрофизических сценариев, которые могли бы ограничить «аксионную линию КХД» — диапазон масс аксионов, в котором лежат многие теоретически обоснованные модели, но который трудно изучать. Исключение некоторых частей этого региона было бы значительным шагом вперед.»
