Художественное воплощение нашей главной идеи. ALP (пунктирная линия), возникшая в результате слияния NS, ускользает и распадается за пределами среды слияния на фотоны, которые могут быть обнаружены спутником Ферми. Фото: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.101003.
Согласно исследованию Вашингтонского университета в Сент-Луисе, слияния нейтронных звезд являются сокровищницей новых физических сигналов, которые могут помочь в определении истинной природы темной материи.
17 августа 2017 года Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) в США и детектор Virgo в Италии зарегистрировали гравитационные волны от столкновения двух нейтронных звезд. Впервые это астрономическое событие было не только услышано в гравитационных волнах, но и замечено в свете десятков телескопов на земле и в космосе.
Физик Бхупал Дев из Arts & Sciences использовал наблюдения этого слияния нейтронных звезд — события, обозначенного в астрономических кругах как GW170817 — чтобы вывести новые ограничения на аксионоподобные частицы. Эти гипотетические частицы непосредственно не наблюдались, но они появляются во многих расширениях стандартной модели физики.
Аксионы и аксионоподобные частицы являются ведущими кандидатами на то, чтобы составить часть или всю «недостающую» материю или темную материю Вселенной, которую ученые еще не смогли объяснить. По крайней мере, эти слабо взаимодействующие частицы могут служить своего рода порталом, соединяющим видимый сектор, о котором люди много знают, с неизвестным темным сектором Вселенной.
«У нас есть веские основания подозревать, что новая физика, выходящая за рамки стандартной модели, может скрываться не за горами», — сказал Дев, первый автор исследования в Physical Review Letters и научный сотрудник университетского Центра космических наук Макдоннелла.
Когда две нейтронные звезды сливаются, на короткий период времени образуется горячий плотный остаток. По словам Дева, этот остаток является идеальной питательной средой для производства экзотических частиц. «Остаток становится намного горячее, чем отдельные звезды, примерно на секунду, прежде чем превратиться в более крупную нейтронную звезду или черную дыру, в зависимости от начальной массы», — сказал он.
Эти новые частицы незаметно покидают обломки столкновения и вдали от своего источника могут распадаться на известные частицы, обычно фотоны. Дев и его команда, в том числе выпускник WashU Стивен Харрис (ныне научный сотрудник NP3M в Университете Индианы), а также Жан-Франсуа Фортен, Кувер Синха и Юнчао Чжан, показали, что эти ускользнувшие частицы порождают уникальные электромагнитные сигналы, которые можно обнаружить с помощью гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT НАСА.
Исследовательская группа проанализировала спектральную и временную информацию этих электромагнитных сигналов и определила, что они могут отличить сигналы от известного астрофизического фона.
Затем они использовали данные Fermi-LAT по GW170817, чтобы вывести новые ограничения на взаимодействие аксион-фотон в зависимости от массы аксиона. Эти астрофизические ограничения дополняют ограничения, полученные в результате лабораторных экспериментов, таких как ADMX, который исследует другую область пространства параметров аксионов.
В будущем ученые могли бы использовать существующие космические гамма-телескопы, такие как Fermi-LAT, или предлагаемые миссии гамма-излучения, такие как Advanced Particle-Astrophysical Telescope (APT) под руководством WashU, для проведения других измерений во время столкновений нейтронных звезд и помочь улучшить их понимание аксионоподобных частиц.
«Экстремальные астрофизические условия, такие как слияние нейтронных звезд, открывают новое окно возможностей в наших поисках частиц темного сектора, таких как аксионы, которые могут содержать ключ к пониманию недостающих 85% всей материи во Вселенной», — сказал Дев.
Информация от: Вашингтонским университетом в Сент-Луисе.
