Гамма-телескопы, наблюдающие за столкновениями нейтронных звезд, могут стать ключом к определению состава темной материи. Одна из ведущих теорий, объясняющих темную материю, состоит в основном из гипотетических частиц, называемых аксионами. Если аксион создается в высокоэнергетической среде слияния двух нейтронных звезд, он затем должен распасться на фотоны гамма-излучения, которые мы могли бы увидеть с помощью космических телескопов, таких как Fermi-LAT.
Около 130 миллионов лет назад произошла жестокая схватка пары нейтронных звезд. Мощные гравитационные волны от удара распространились наружу со скоростью света, за чем вскоре последовала огромная вспышка радиации. 17 августа 2017 года гравитационные волны достигли Земли и были обнаружены обоими детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США и интерферометром Virgo в Италии. Это событие получило название GW170817. Спустя всего несколько секунд гамма-телескоп Fermi-LAT зафиксировал всплеск гамма-лучей в той же области неба. В течение следующих нескольких дней другие телескопы увидели и записали это событие в видимом свете и на других длинах волн. Это стало первым в истории наблюдением слияния двух нейтронных звезд с помощью нескольких посланников.
Что такое аксион?
Одна из ведущих теорий о составе темной материи состоит в том, что она в основном состоит из гипотетической частицы, называемой аксионом. Если бы в результате Большого взрыва было создано достаточно аксионов и если бы их массы находились в определенном диапазоне, то они могли бы составлять большую часть темной материи, формирующей сегодня Вселенную. К сожалению, аксионы никогда не наблюдались, и никто пока не подтвердил, существуют ли они вообще. Но, по словам доктора Бхупала Дева из Университета штата Вашингтон, аксионы и аксионоподобные частицы (АЛП) могут создаваться в экстремальных условиях столкновения нейтронных звезд, и мы могли бы увидеть их сигнатуры с Земли.
Физики потратили десятилетия, пытаясь разгадать тайну темной материи. Кажется вероятным, что он мог состоять в основном из аксионов и аксионоподобных частиц, но эти частицы пока лишь гипотетические. Аксион был впервые предложен в 1977 году как решение сильной CP-проблемы, но еще не подтвержден.
Однако теория предсказывает, что аксионы могут быть созданы на короткое время путем пропускания фотонов высокой энергии через мощное магнитное поле. Эти аксионы существуют некоторое время, а затем распадаются обратно на пару фотонов гамма-излучения. По всему миру проводится ряд экспериментов, использующих это явление для создания аксионов и наблюдения за гамма-излучением их распада. Другие, такие как Axion Dark Matter eXperiment (ADMX), ищут естественно существующие аксионы, используя аналогичный процесс для преобразования их в микроволновые фотоны.
Но во Вселенной есть много мест, где аксионы могут быть созданы таким образом, включая ядра звезд, вокруг магнетаров и где-либо еще с сильными магнитными полями. Одним из возможных мест является место столкновения нейтронной звезды. Когда такие массивно плотные объекты сталкиваются, они выделяют огромное количество энергии, часть которой имеет форму жесткого электромагнитного излучения и мощных магнитных полей: идеальные условия для создания аксионов!
Моделируя задействованные энергии, исследователи могут предсказать массы аксионов, которые будут произведены. Отсюда они могут определить конкретную частоту фотонов гамма-излучения, которые будут возникать при их распаде. Если мы сможем обнаружить еще одно такое слияние и определить конкретный спектр гамма-излучения, исходящего от столкновения, это подтвердит реальность аксионов и предоставит доказательства, подтверждающие основную теорию о темной материи.
Природные ускорители частиц
Подобный эксперимент будет не первым случаем, когда ученые попытаются использовать природные явления вместо ускорителя частиц. Наши верхние слои атмосферы — одно из таких мест, где постоянно происходят столкновения частиц высоких энергий. В отличие от гамма-излучения, космические лучи представляют собой субатомные частицы, летящие в космосе с релятивистскими скоростями и возникающие в результате катастрофических событий, таких как взрывы сверхновых. Когда они сталкиваются с нашей атмосферой, они врезаются в молекулы воздуха с большей силой, чем мы можем создать в наших крупнейших ускорителях частиц. Телескопы, такие как Стереоскопическая система высоких энергий (HESS) в Намибии, созданы для обнаружения этих столкновений высоко в небе. HESS — это пара телескопов, которые фокусируются на верхних слоях атмосферы в поисках характерных всплесков черенковского излучения, которые выявляют каскады частиц, образующихся всякий раз, когда космические лучи врезаются в атмосферу.
Наблюдения GW170817 уже были использованы доктором Девом: тщательный анализ гамма-лучей, наблюдаемых Fermi-LAT, уже помог сузить ограничения на свойства аксионов и аксионоподобных частиц.
Подобные наблюдения в сочетании с работами наземных экспериментов, таких как ADMX, имеют решающее значение для выяснения существования аксионов. И хотя они его еще не нашли, мы все равно что-то узнаем каждый раз, когда эксперимент ничего не обнаруживает. Каждый тест настроен на определенную массу, поэтому все отрицательные результаты вместе сужают диапазон возможностей. Надеюсь, пройдет немного времени, прежде чем мы получим окончательный ответ.
Чтобы узнать больше, посетите
