Новое исследование предполагает, что взрывные «аксионные звезды» могут точно определить, где и что такое темная материя.

Мы могли бы приблизиться к пониманию тайны того, что такое темная материя, благодаря новым исследованиям физиков из Королевского колледжа Лондона.

Аксионы, впервые теоретизированные в 1977 году, представляют собой гипотетические частицы легкой массы, которые были предложены в качестве возможного претендента на роль темной материи из-за выделяемого ими тепла. Однако из-за диапазона размеров и масс, которые они могли иметь, их окончательная идентификация была затруднена.

В серии статей в журнале Physical Review D Лиина Чунг-Юкко, профессора Малкольм Фэйрберн, Юджин Лим, доктор Дэвид Марш и их коллеги предложили новый подход к обнаружению этой «чудо-частицы», которая могла бы объяснить как темную энергию, так и темную материю.

Профессор Малкольм Фейрберн объясняет: «Аксионы — одни из главных кандидатов на роль темной материи. Мы обнаружили, что они способны нагревать Вселенную так же, как сверхновые и обычные звезды, после того, как они слились в плотные сгустки. Вооружившись этими знаниями, мы знаем, что далеко больше уверенности, куда направить наши инструменты в поле, чтобы их найти».

Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что около 85% материала во Вселенной представляет собой темную материю — неизвестную форму материи, которую мы не смогли ни наблюдать, ни исследовать. Гравитационные эффекты, наблюдаемые в таких сценариях, как образование галактик, не имеют смысла в рамках модели Эйнштейна, если только не существует большого количества материи, которую мы не можем видеть и которая не взаимодействует со светом или электромагнитными полями.

Аксионы являются претендентом на эту гипотетическую форму материи. Эти частицы малой массы должны присутствовать в очень больших количествах, чтобы объяснить недостающую массу в галактиках. Поскольку эти аксионы должны существовать в больших количествах, они также должны быть плотно упакованы в определенных областях, то есть подчиняться законам квантовой механики.

Это означало бы, что отдельные аксионы начнут действовать согласованно. Это означало бы, что в центрах галактик могут существовать большие скопления аксионной темной материи, также известные как «аксионные звезды».

Эти аксионные звезды могут стать нестабильными после определенного порога массы, взрываясь в электромагнитное излучение и фотоны — частицы света, как более подробно показано Лииной Чунг-Юкко. Ученые предполагают, что эти взрывы потенциально могли нагреть межгалактический газ, который существовал между галактиками во время, отделяющее Большой взрыв от образования первых звезд, через 50–500 миллионов лет после начала Вселенной.

Это изменит то, как будет выглядеть космическое фоновое излучение (CMB) — электромагнитное излучение, заполняющее все пространство, в этот период, которое ученые в настоящее время могут наблюдать с помощью радиоволн, используя метод, называемый измерением на расстоянии 21 см.

Ища таким образом сигналы о том, где взорвались аксионные звезды в ранней или современной Вселенной, ученые смогут использовать эти методы, чтобы отследить до сих пор ненаблюдаемый аксион и обнаружить источник некоторой, если не всей, темной материи.

Малкольм Фэйрберн сказал: «Когерентные аксионные звезды, даже те, которые относительно компактны, могут взорваться в ореол электромагнетизма и света. Знание того, какие структуры аксионная темная материя может формировать и ее влияние на окружающий межгалактический газ, может открыть новые способы его обнаружения.

«Возможность найти аксион, вероятно, поможет нам решить один из самых больших вопросов науки, который создавался более века, и поможет раскрыть историю ранней Вселенной».

Вычислив общее количество аксионных звезд во Вселенной и расширив их скрытый взрывной потенциал в межгалактическом газе, команда также предположила размер сигнала, который аксионные звезды будут излучать в реликтовом излучении. Это позволит измерениям на расстоянии 21 см точно классифицировать то, что происходит от аксионов, а что нет, что облегчит поиск.

Работа Кинга присоединилась к растущему хору научного сообщества, которое ищет аксион как главного претендента на темную материю, сказал Дэвид Марш: «Измерение 21 см обычно рассматривается как будущее космологии и роль, которую оно играет в поисках темной материи». аксион является основной причиной этого. В настоящее время ведется огромное количество поисков аксионов, включая такие проекты, как Dark Matter Radio. Сейчас очень, очень захватывающее время для того, чтобы быть астрофизиком».

Информация от: Королевским колледжем Лондона.