Одна из самых больших загадок частиц темной материи заключается в том, взаимодействуют ли они друг с другом. Мы до сих пор не знаем точную природу темной материи. Некоторые модели утверждают, что темная материя взаимодействует только гравитационно, но многие другие утверждают, что частицы темной материи могут сталкиваться друг с другом, слипаться и даже распадаться на частицы, которые мы можем видеть. Если это так, то объекты с особенно сильными гравитационными полями, такие как черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики, могут захватывать и концентрировать темную материю. Это, в свою очередь, может повлиять на внешний вид этих объектов. В качестве примера можно привести недавнее исследование, посвященное взаимодействию темной материи и нейтронных звезд.
Нейтронные звезды состоят из самой плотной материи в космосе. Их мощные гравитационные поля могут улавливать темную материю, и, в отличие от черных дыр, любое излучение темной материи не будет задерживаться за горизонтом событий. Таким образом, нейтронные звезды являются идеальным кандидатом для изучения моделей темной материи. Для этого исследования команда изучила, сколько темной материи может захватить нейтронная звезда, и как распад взаимодействующих частиц темной материи повлияет на ее температуру.
Детали зависят от того, какую конкретную модель темной материи вы используете. Вместо рассмотрения вариантов моделей команда рассмотрела общие свойства. В частности, они сосредоточились на том, как темная материя и барионы (протоны и нейтроны) могут взаимодействовать, и приведет ли это к захвату темной материи. Действительно, в диапазоне возможных взаимодействий бариона и темной материи нейтронные звезды могут захватывать темную материю.
Затем команда приступила к изучению того, как может происходить термализация темной материи. Другими словами, когда темная материя захватывается, она должна выделять тепловую энергию в нейтронную звезду посредством столкновений и аннигиляции темной материи. Со временем темная материя и нейтронная звезда должны достичь теплового равновесия. Скорость, с которой это происходит, зависит от того, насколько сильно взаимодействуют частицы, так называемого сечения рассеяния. Команда обнаружила, что тепловое равновесие достигается довольно быстро. Для простых скалярных моделей темной материи равновесие может быть достигнуто за 10 000 лет. Для векторных моделей темной материи равновесие может наступить всего за год. Независимо от модели, нейтронные звезды могут достичь теплового равновесия в мгновение ока.
Если эта модель верна, то темная материя может играть измеримую роль в эволюции нейтронных звезд. Например, мы могли бы определить наличие темной материи, наблюдая за нейтронными звездами, которые теплее, чем ожидалось. Или, возможно, даже различать разные модели темной материи по общему спектру нейтронных звезд.
Ссылка: Белл, Николь Ф. и др. «Термализация и аннигиляция темной материи в нейтронных звездах». Журнал космологии и физики астрочастиц 2024.04 (2024): 006.
