С 1960-х годов астрономы выдвинули теорию, что Вселенная может быть заполнена загадочной массой, которая взаимодействует с «обычной материей» только посредством гравитации. Эта масса, получившая название «Темная материя» (ТМ), необходима для решения проблем между астрономическими наблюдениями и общей теорией относительности. В последние годы ученые предположили, что ТМ может состоять из аксионов — класса гипотетических элементарных частиц с низкой массой в определенном диапазоне. Эти частицы, впервые предложенные в 1970-х годах для решения проблем Стандартной модели физики элементарных частиц, стали ведущими кандидатами на роль ТМ.
В дополнение к растущим доказательствам того, что это может быть так, исследователи из ЦЕРН разрабатывают новый телескоп, который мог бы помочь научному сообществу в поиске аксионов – Аксионный солнечный телескоп ЦЕРН (CAST). Согласно новому исследованию, проведенному международной командой физиков, эти гипотетические частицы могут встречаться в больших облаках вокруг нейтронных звезд. Эти аксионы могут стать долгожданным объяснением Темной Материи, на поиски которой космологи потратили десятилетия. Более того, их исследования показывают, что эти аксионы не так уж сложно наблюдать с Земли.
Группу возглавил Дион Нордхейс, доктор философии. студент Амстердамского института гравитационной физики астрочастиц (GRAPPA), Института теоретической физики (ITP) и Дельта-института теоретической физики Амстердамского университета (UvA). К нему присоединились исследователи из Центра теоретической науки (PCTS) Принстонского университета, Университета Барселоны и Центра теоретической физики Рудольфа Пайерлса Оксфордского университета. Статья, описывающая их результаты, была опубликована 17 октября 2024 года в журнале. Физический обзор X.
Как и ДМ, существование аксионов было постулировано для устранения пробелов в нашем понимании поведения другой элементарной частицы — нейтрона. Однако, как и DM, эти гипотетические частицы до сих пор не обнаружены после десятилетий исследований. Это понятно, поскольку, если бы такие частицы существовали, они были бы чрезвычайно легкими, и их было бы очень трудно обнаружить с помощью экспериментов или астрономических наблюдений. Вот почему аксионы считаются многообещающим кандидатом для объяснения ТМ, на долю которого теоретически приходится 85% вещества в нашей Вселенной.
Хотя предполагается, что ТМ взаимодействует с видимой материей посредством гравитации, это не обязательно означает, что у нее нет других взаимодействий, которые можно было бы обнаружить. Например, ожидается, что аксионы преобразуются в фотоны под воздействием электрических и магнитных полей, что мы и можем наблюдать. Однако соответствующая сила взаимодействия и количество производимого света должны быть очень малы. Следовательно, они, вероятно, остались бы незамеченными, если бы не существовала среда, содержащая массивные облака аксионов в очень сильном электромагнитном поле.
Это побудило Нордхейса и его команду рассмотреть нейтронные звезды, поскольку они представляют собой самый плотный класс звезд во Вселенной и генерируют очень мощные электромагнитные поля. Фактически, нейтронные звезды генерируют магнитные поля, которые в миллиарды раз сильнее магнитосферы Земли. Более того, астрономы уже некоторое время используют сверхновые и остывающие нейтронные звезды, чтобы ограничить свойства аксонов, включая их массу и взаимодействие с другими частицами. Недавние исследования также подтверждают идею о том, что их мощные магнитные поля позволяют нейтронным звездам производить огромное количество аксионов вблизи своей поверхности.
В предыдущем исследовании Нордхейс и его коллеги изучали, как аксионы могут покинуть нейтронную звезду. Это включало вычисление количества производимых аксионов, траекторий, по которым они будут следовать, и того, как их преобразование в свет может привести к наблюдаемому сигналу. В своей последней работе исследователи сосредоточились на аксионах, теоретически захваченных гравитацией нейтронной звезды. Из-за очень слабой природы взаимодействия эти частицы, вероятно, останутся связанными со своими звездами в течение миллионов лет.
Как они утверждают в своей статье, они постепенно образуют туманное облако вокруг нейтронной звезды, которое можно будет увидеть в телескопы. Команда также изучила формирование, свойства и эволюцию этих аксионных облаков и обнаружила, что (с учетом широкого спектра свойств аксионов) они, вероятно, будут формироваться вокруг большинства или даже всех нейтронных звезд. Они также подсчитали, что эти облака будут на двадцать порядков больше, чем локальная плотность ТМ, что будет давать мощные наблюдательные сигнатуры.
Они могут проявляться в виде непрерывного сигнала, излучаемого на протяжении большей части жизни нейтронной звезды, или в виде однократной вспышки света в конце ее жизни. Эти сигнатуры будут обнаружены современными радиотелескопами и могут быть использованы для исследования взаимодействия между аксионами и фотонами. Хотя никаких аксионных облаков пока не наблюдалось, исследование команды предлагает астрономам параметры того, что искать. Помимо поиска аксионных облаков, данное исследование открывает дополнительные возможности для дальнейших теоретических исследований.
Сюда входит дополнительная работа одного из соавторов исследования о том, как аксионные облака могут изменить динамику самих нейтронных звезд. Существует также возможность изучения численного моделирования аксионных облаков, чтобы еще больше ограничить то, что и где астрономам следует искать. Наконец, в настоящей статье рассматриваются одиночные нейтронные звезды, но существуют также возможности для двойных систем, состоящих из двух нейтронных звезд и нейтронной звезды с черной дырой-компаньоном. Используя преимущества инструментов следующего поколения в дополнение к нынешним, эти наблюдения могут стать шагом на пути к поиску неуловимой частицы ТМ.
Эти исследования также могут найти применение в других областях исследований, таких как физика элементарных частиц, астрофизика, физика плазмы и радиоастрономия. Короче говоря, это последнее исследование открывает возможности для междисциплинарных исследований, которые могли бы раскрыть некоторые из величайших загадок современной астрономии и космологии.
Дополнительная литература: Физический университет
