Аксионы и нейтронные звезды: на пути к крупному открытию темной материи
Темная материя, загадочная субстанция, составляющая около 85 % массы Вселенной, интригует ученых уже несколько десятилетий. Хотя мы не можем наблюдать ее напрямую, ее гравитационные эффекты заметны в больших масштабах, оказывая влияние на вращение галактик и формирование космических структур. Но что же представляет собой эта невидимая материя? Группа физиков из университетов Амстердама, Принстона и Оксфорда полагает, что ответ может заключаться в неуловимых частицах, называемых аксионами, которые можно наблюдать с помощью нейтронных звезд, сверхплотных и мощных звездных объектов.
Что такое темная материя?
Темная материя — это форма материи, которая не испускает ни света, ни какого-либо другого обнаруживаемого излучения. Однако о ее существовании можно догадаться, наблюдая за гравитационными эффектами, которые она оказывает на видимую материю. Например, галактики вращаются со скоростью, которую невозможно объяснить количеством материи, которую мы можем видеть. Эта скорость позволяет предположить, что большая часть их массы невидима и не обнаруживается нашими приборами: это так называемая темная материя.
Хотя ее существование широко признается, точный состав темной материи остается загадкой. Существует несколько теорий о том, чем она может быть, и одна из самых многообещающих идей касается аксионов — теоретических частиц, впервые предложенных в 1970-х годах.
Гипотетические частицы
Аксионы были придуманы для решения конкретной проблемы, связанной с поведением нейтронов — хорошо известных частиц Стандартной модели физики. Их название, вдохновленное маркой мыла, отражает идею о том, что они могут устранить проблему симметрии в физике. Однако со временем эти маленькие частицы оказались еще более интересными по другой причине: они стали основными кандидатами на объяснение темной материи.
Основная проблема аксионов заключается в том, что они очень легкие и очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Это делает их чрезвычайно сложными для обнаружения. До сих пор никому не удавалось наблюдать их напрямую, несмотря на многочисленные лабораторные эксперименты. Однако ученые продолжают исследовать новые методы их обнаружения.
Нейтронные звезды как союзники в этих поисках
Именно здесь на помощь приходят нейтронные звезды. Эти объекты, возникшие в результате гибели массивных звезд, являются одними из самых плотных во Вселенной. Фактически, эти звезды настолько компактны, что концентрируют массу Солнца в сфере диаметром всего двенадцать-пятнадцать километров. Такая невероятная плотность создает среду с чрезвычайно мощными магнитными полями, в миллиарды раз более интенсивными, чем на Земле, что и возвращает нас к данному исследованию.
Ученые считают, что эти магнитные поля могут способствовать массовому производству аксионов вокруг нейтронных звезд. В предыдущих исследованиях уже рассматривалась идея о том, что после производства эти аксионы могут улетучиваться в космос. В новой ученые рассмотрели другую возможность: эти частицы могут быть захвачены огромной гравитацией нейтронной звезды, образуя вокруг нее плотное облако.
Потенциально наблюдаемые сигналы
Облако аксионов может дать новую возможность обнаружить эти неуловимые частицы. В отличие от других мест во Вселенной, где аксионы могут присутствовать в очень малых количествах, эти облака вокруг нейтронных звезд исключительно плотные.
Такая плотность может привести к появлению сигналов, обнаруживаемых земными телескопами, в частности в виде света или электромагнитного излучения. Эти сигналы могут проявляться двумя способами. С одной стороны, непрерывный сигнал может наблюдаться в течение всего времени жизни нейтронной звезды. С другой стороны, в конце жизни звезды, когда она перестанет излучать энергию в виде электромагнитного излучения, может произойти одиночная вспышка света, что позволит ученым убедиться в наличии аксионов и узнать больше об их свойствах.
Каковы дальнейшие шаги?
Хотя прямых наблюдений аксионных облаков пока не проводилось, теперь ученые точно знают, что искать. Следующие шаги включают в себя использование мощных телескопов, подобных тем, что используются в радиоастрономии, чтобы попытаться обнаружить эти слабые сигналы. Если ученым удастся обнаружить эти облака аксионов, это может открыть новую эру в нашем понимании темной материи и частиц, из которых состоит наша Вселенная.
В настоящее время ведутся дальнейшие исследования по численному моделированию этих облаков и уточнению прогнозов относительно типов сигналов, которые мы можем наблюдать. Эти исследования могут быть распространены и на более сложные системы, такие как нейтронные звезды, вращающиеся вокруг других звезд, или черные дыры, что может дать еще больше подсказок о природе аксионов.